Правительство Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Правительство Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Национальный исследовательский университет
«Высшая школа экономики»
Московский институт электроники и математики Национального
исследовательского университета "Высшая школа экономики"
Факультет электроники и телекоммуникаций
Кафедра Радиоэлектроники и Телекоммуникаций
ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА
(дипломная работа)
На тему: “Численное моделирование и конструкция замедляющей системы
спиральной ЛБВ Ku-диапазона”
Студент группы № ЭП-91
Прохоров Д.А.
Руководитель ВКР
Профессор, д.т.н. Мозговой Ю.Д.
Консультант
Начальник отделения разработки
Азов Г.А.
Москва, 2013
1
Правительство Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
"Национальный исследовательский университет
"Высшая школа экономики"
Московский институт электроники и математики Национального
исследовательского университета "Высшая школа экономики"
Факультет электроники и телекоммуникаций
Кафедра радиоэлектроники и телекоммуникаций
УТВЕРЖДАЮ
Заведующий кафедрой
______________ / С.У. Увайсов /
«___» ____________ 2013 г.
ЗАДАНИЕ
НА ВЫПУСКНУЮ КВАЛИФИКАЦИОННУЮ РАБОТУ (ВКР)
студенту 5 курса группы ЭП-91 Прохорову Денису Александровичу
1 .Тема: “ Численное моделирование и конструкция замедляющей системы
спиральной ЛБВ KU-диапазона”.
(Утверждена приказом от _________________ № _____________)
2. Срок сдачи ВКР руководителю: 27.05.2013
Срок сдачи ВКР на выпускающую кафедру: 10.06.2013
3. Техническое задание __ Провести численное моделирование и разобрать
конструкцию спиральной замедляющей системы широкополосной ЛБВ Kuдиапазона.__________________________________________________________
___________________________________________________________________
___
4. Содержание расчетно-пояснительной записки.
A. Специальная часть.
1.Расчетные методы исследования электродинамических параметров
спиральной ЗС.___
2.Применение линейной теории и программ для определения
электродинамических параметров спиральной ЗС.
3.Конструкция широкополосной спиральной ЗС..
4.Результаты расчета.
5.Анализ полученных расчетных данных.
2
Б. Конструкторско-технологическая часть.
1. Разработать конструкцию спиральной замедляющей системы
широкополосной ЛБВ.
2.
__________________________________________________________________
B. Охрана труда.
1.Оценка возможных и вредных производственных факторов.
2.Охрана труда при реализации дипломного проекта.
Г. Экологическая часть.
1. Воздействие электромагнитного излучения на людей
2.
__________________________________________________________________
Д. Решение задач на ЭВМ.
1. Расчет с помощью программы WinHelix 1.0.0 электродинамических
параметров ЗС
2. __Расчет конструктивных параметров в программе
MathCad___________________________________________________________
5.Перечень графического материала.
1.Блок-схемы установок для измерения электродинамических параметров ЗС..
2.Зависимость коэффициента замедления и сопротивления связи от частоты,
полученные в результате эксперимента.
3. Зависимость коэффициента замедления и сопротивления связи от частоты,
полученные в результате расчета.
6. Консультанты по ВКР.
Консультант по специальной части__________________________Г.А.Азов
Консультант по конструкторско-технологической части________Г.А.Азов
Консультант по экологической
части________________________Е.Б.Михайлов
Консультант по охране труда
______________________________Е.Б.Михайлов
7. Дата выдачи задания «___» ______________ 2013 г.
Руководитель ВКР ________________________ /Ю.Д.Мозговой/
(подпись)
Задание принято к исполнению _____________________ /Д.А.Прохоров/
(подпись)
«___» ______________ 2013 г.
Примечание.
Задание оформляется в двух экземплярах и сдается на кафедру. После утверждения
один экземпляр задания выдается на руки студенту. Экземпляр задания вшивается в
пояснительную записку.
3
Содержание:
Аннотация__________________________________________________________________5
Введение____________________________________________________________________7
Глава
I. Широкополосные лампы с бегущей волной (обзор литературы)_________9
Область применения спиральной ЛБВ______________________________________9
Принцип действия усилительных ламп с бегущей волной_____________________10
Параметры и характеристики ЛБВ_________________________________________16
Конструкция и основные узлы ЛБВ________________________________________19
1.1
1.2
1.3
1.4
Глава
II. Конструкция спиральной замедляющей системы_____________________29
Общие вопросы (дисперсионная хар-ка, сопротивление связи)_________________29
Выбор конструкции спиральной ЗС________________________________________32
Основные требования к конструкции спиральной ЗС_________________________39
Методы закрепления ЗС в корпусе прибора _________________________________41
Выводы к главе II ______________________________________________________45
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
Глава
Расчет основных параметров ЗС ___________________________________________46
Линейный расчет основных конструктивных параметров ЗС___________________47
Результаты первоначального расчета основных конструктивных параметров_____56
Численное проектирование ЗС для ЛБВ в программе WinHelix_________________57
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
Сравнение линейного расчета с расчетом в программе WinHelix______________________69
Расчет выходных параметров ЛБВ в программе HelixTwt______________________70
Глава
4.1.
IV. Экономическая часть______________________________________________76
Расчёт себестоимости изделия___________________________________________________76
Глава
5.1
5.2
5.3
III. Численное моделирование ЗС______________________________________46
V. Безопасность жизнедеятельности____________________________________78
Оценка возможных опасных и вредных производственных факторов_____________78
Охрана труда при реализации дипломного проекта____________________________82
Расчет экрана____________________________________________________________92
Глава
VI. Экологическая часть_____________________________________________93
6.1
Воздействие электромагнитного излучения на людей_________________________93
Заключение__________________________________________________________________99
Список использованной литературы___________________________________________100
4
АННОТАЦИЯ
Для современного этапа развития радиоэлектронной аппаратуры
сверхвысоких частот (СВЧ) и техники связи, в частности, характерным
является жесткая конкуренция между твердотельными и электровакуумными
приборами. Однако, несмотря на значительный прогресс в развитии
твердотельной СВЧ электроники, область частот, превышающих 5 ГГц, в
настоящее время остается практически недоступной для полупроводниковых
приборов, особенно для уровней непрерывной (средней) мощности 50 Вт и
выше.
Помимо
чисто
частотных
и
энергетических
немаловажным фактором, определяющим
выбор
соображений
элементной
базы
и
принципов конструирования радиотехнических устройств, является учет
таких условий эксплуатации, как устойчивость приборов к колебаниям
температуры окружающей среды в пределах от -60С до +85С, их
способность выдерживать кратковременные перегрузки электрического
режима, достигающих 150-200% от номинальных значений и другие. Более
высокая надежность при экстремальных условиях эксплуатации является
одним из характерных достоинств электровакуумных приборов (ЭВП),
используемых для генерирования и усиления СВЧ колебаний.
Успехи электровакуумной технологии, позволившие увеличить ресурс
современных ЭВП, долговечность которых исчисляется годами непрерывной
работы, не дают микроволновым твердотельным приборам безусловного
преимущества и в этом вопросе.
Спиральные
лампы
бегущей
волны
(ЛБВ)
нашли
широкое
распространение в радиоэлектронной аппаратуре СВЧ диапазона различного
назначения. Эти приборы используются в тех случаях, когда необходимо
сочетание значительной мощности, большой широкополосности, высокого
коэффициента усиления и ряда других параметров. Современные требования,
предъявляемые к радиоэлектронной аппаратуре, привели к необходимости
значительного
увеличения
выходной
мощности
спиральных
ЛБВ
с
5
воздушным охлаждением, а также к обеспечению высоких значений
параметров, влияющих на качество передаваемого сигнала.
Исходя
из
вышеизложенного,
проблема
создания
мощных
высокоэффективных надежных спиральных ЛБВ, используемых в качестве
выходных
усилителей
различной
радиоэлектронной
аппаратуры
СВЧ
диапазона, и в частности в станциях тропосферной и спутниковой связи,
является актуальной в настоящее время.
Цель работы.
Целью настоящей работы является разработка конструкции
спиральной замедляющей системы широкополосной ЛБВ, обеспечивающей
эффективное усиление СВЧ сигнала в заданной полосе частот, а также
высокие значения параметров, влияющих на качество передаваемых сигналов.
Дипломная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка
используемой литературы.
В главе 1 рассмотрены основные технические параметры, конструкция
и принцип действия мощных ЛБВ непрерывного действия.
В главе 2 приводятся типы конструкций спиральных замедляющих
систем, методы их закрепления в корпусе ЛБВ, а так же основные требования,
предъявляемые к ним.
Глава 3 содержит линейный и программный расчет
электродинамических характеристик и пространства взаимодействия
выбранной конструкции замедляющей системы.
Глава 4 включает в себя расчет себестоимости прибора.
Глава 5 посвящена вопросам охраны труда; оценке опасных и вредных
производственных факторов; охране труда при реализации проекта и
разработке защиты от СВЧ – излучения.
В главе 6 рассматривается экологическая часть проекта и описывается
воздействие электромагнитных колебаний на живые организмы.
6
Введение
Создание
сложных
современных
радиотехнических
систем
невозможно без целого ряда генераторных и усилительных электронных
приборов СВЧ типа. К приборам диапазона СВЧ относятся такие приборы,
как магнетроны, клистроны, лампы бегущей и обратной волны.
Лампы с бегущей волной со времени их изобретения Рудольфом
Компфнером в 1943 году нашли весьма широкое применение в системах
радиолокации, радионавигации и связи в качестве широкополосных
усилителей малой, средней и большой мощностей. Полоса усиления ЛБВ
0 типа средней мощности со спиральной замедляющей системой достигает
одной-двух октав при выходной мощности порядка 100 Вт. Современные
ЛБВ-0 перекрывают диапазон частот от 50 МГц до 500 ГГц при уровнях
выходной мощности от милливатт до мегаватт.
В
настоящее
время,
в
связи
с
совершенствованием
полупроводниковых технологий за рубежом и в России, получили развитие
твердотельно-вакуумные СВЧ- усилители, состоящие из твердотельного
вакуумного преусилителя и выходной мощной ЛБВ непрерывного или
импульсного действия. В результате разделение коэффициента усиления
между каскадами удается улучшить ряд параметров по сравнению с
использованием одной ЛБВ, в том числе- увеличить коэффициент усиления,
повысить КПД устройства, снизить уровень шума, улучшить массогабаритные параметры.
Одним из важнейших элементов ЛБВ является замедляющая система
(ЗС). Тип и конструкция ЗС играет значительную роль в достижения заданной
мощности, надежности и долговечности.
Наибольшее распространение в технике СВЧ получили замедляющие
системы
типа:
спираль,
гребенка,
диафрагмированный
волновод,
7
коаксиальные ребристые структуры, замедляющие системы, выполненные из
набора пластин, а так же резонансные замедляющие системы типа цепочка
связанных резонаторов.
За многие годы экспериментов и эксплуатации лучшие результаты в
части обеспечения усиления в широкой полосе частот были получены в
лампах со спиральными замедляющими системами (ЗС).
Замедляющие системы применяются не только в электронных
приборах СВЧ, но и в линейных ускорителях, в линиях задержки, в антенных
устройствах, в параметрических усилителях с бегущей волной и в ряде других
приборов.
К настоящему времени предложено много различных конструкций
замедляющих систем и методов их расчета.
Задача данного дипломного проекта заключается в определении
оптимальных
значений
конструктивных
параметров
спиральной
замедляющей системы ЛБВ Ku-диапазона, обеспечивающей выходную
мощность 300 Вт при коэффициенте усиления не менее 25 дБ и рабочем
напряжении 7 ÷ 8 кВ, предназначенной для использования в составе
твердотельно-вакуумного
усилителя СВЧ.
Ku-диапазон-
это
диапазон
сантиметровых длин волн, простирается от 10 до 18 ГГц.
8
Глава I. Лампы бегущей волны
(Обзор литературы)
1.1. Область применения спиральной ЛБВ
Лампы бегущей волны продолжают оставаться одним из важнейших
комплектующих элементов, определяющих технический уровень спутников
связи.
Этот
тип
электронно-вакуумных
приборов
(ЭПВ)
обладает
превосходными рабочими и эксплуатационными характеристиками: широкой
полосой рабочих частот, большим коэффициентом усиления и коэффициент
полезного действия (КПД), выходной мощностью от десятков до сотен ватт,
высокой устойчивостью к внешним воздействиям, термостабильностью
параметров и высокой надежностью при долговечности до 100 тыс. ч и более.
Они допускают эксплуатацию в гораздо более жестких режимах, чем
твердотельные приборы.
Главным направлением разработки ламп прямой волны являются
широкополосные усилители дециметрового, сантиметрового и отчасти
миллиметрового диапазонов длин волн.
Применение ЛБВ типа О непрерывно расширяется и простирается от
широкополосных входных усилителей в СВЧ приемниках до мощных
выходных каскадов импульсных передатчиков, генераторов помех и т.д.
Особенно
широко
применяются
ЛБВ
в
системах
многоканальной
радиорелейной связи. Мощные усилительные ЛБВ используются для питания
фазированных антенных решеток радиолокаторов с управляемой диаграммой
направленности, содержащих до нескольких тысяч элементов, снабженных
отдельными усилителями.
Наряду с этим ЛБВ типа О применяются в качестве преобразователей
и умножителей частоты, фазовых модуляторов и генераторов весьма коротких
импульсов. Представляет интерес также использование ЛБВ
в качестве
9
источника шумов для систем радиопротиводействия и измерительных
установок СВЧ диапазона.
К числу менее обычных, но актуальных направлений относится
создание
ЛБВ,
имеющих
вместо
обычного
катода
фотокатод
или
фотоумножительную систему. Такие фото-ЛБВ могут найти применение в
приемниках оптической связи с использованием лазерного излучения,
модулированного СВЧ колебаниями.
Немаловажное значение для дальнейшего развития ЛБВ типа О будет
иметь уменьшение их габаритов и веса, повышение их механических свойств.
Большую роль может играть дальнейшее усовершенствование методов
фокусировки электронных потоков. Можно ожидать дальнейшего снижения
уровня шумов во входных ЛБВ и повышения выходной мощности и КПД в
мощных выходных ЛБВ.
В настоящее время большие перспективы имеет использование ЛБВ в
качестве ботовых усилителей космической связи на искусственных спутниках
Земли.
Разработанные
ЛБВ
используются
в
выходных
усилителях
ретрансляторов космических аппаратов «Молния», «Радуга», «Глобус»,
«Луч», «Галс» и др.
1.2. Принцип действия усилительных ламп с бегущей волной
В основе усилительных и генераторных ламп бегущей волны в
широком смысле слова лежит длительное взаимодействие электронов с
бегущей электромагнитной волной, распространяющейся в нерезонансной
колебательной системе. Этим лампы бегущей волны значительно отличаются
от приборов СВЧ, использующих резонансные колебательные системы, —
триодов, клистронов и магнетронов. В лампах бегущей волны происходят те
же основные электронные процессы, что и в других генераторных и
усилительных
приборах,
группировка
электронов
и
отдача
энергии
10
электронов, приобретенной ими от постоянного электрического поля, полю
сверхвысокой частоты. Особенно близкими к лампам бегущей волны
являются магнетроны.
Важным преимуществом ламп бегущей волны, как усилителей,
является их широкополосность. В самом деле, во всех усилительных
приборах с резонаторной колебательной системой рабочая полоса частот
ограничивается нагруженной добротностью используемого колебательного
контура или системы контуров. В лампах с нерезонансной колебательной
системой этого основного ограничения не существует. Это же обстоятельство
проявляется и при использовании ламп с длительным взаимодействием в
качестве генераторов. Основным достоинством их является широкий диапазон
электронной настройки, значительно превышающий лучшие результаты,
которые могут быть получены с большинством генераторов резонансного
типа.
Для длительного взаимодействия электронов с электромагнитным
полем необходимо
соблюдать условия
фазового
синхронизма, т. е.
приблизительного совпадения скорости электронов υ0 с фазовой скоростью
волны υф:
υ0 ≈ υф
При этом предполагается, что направление движения электронов
совпадает с направлением фазовой скорости волны.
Поскольку скорость электронов всегда меньше скорости света с в
свободном пространстве, условие синхронизма предполагает, что фазовая
скорость взаимодействующей с электронами волны также меньше с. Это
означает,
что
электроны
должны
двигаться
в
поле
замедленной
электромагнитной волны. В большинстве ламп бегущей волны используются
замедляющие системы
–
волноведущие
структуры, удовлетворяющие
условию υф < с. Типичная величина коэффициента замедления составляет
примерно от 2 до 50.
11
Как известно, поле периодических замедляющих систем содержит
бесчисленное множество одновременно существующих прямых и обратных
пространственных гармоник, имеющих различные фазовые скорости и
бегущих по системе как в направлении движения электромагнитной энергии,
так и в противоположном направлении. Подбирая скорость электронов υо и
направление их движения, можно удовлетворить условию синхронизма для
одной из пространственных гармоник. Таким образом, электронный поток
может взаимодействовать как с прямыми, так и с обратными волнами.
Приборы, в которых электронный поток взаимодействует с основной
прямой замедленной волной или с положительной пространственной
гармоникой, называются лампами прямой волны. За этими приборами
закрепилось название лампа бегущей волны или лампа с бегущей волной
(сокращенно ЛБВ), несмотря на то, что лампами бегущей волны в широком
смысле являются все приборы рассматриваемого класса. Приборы, в которых
используется
взаимодействие
электронов
с
обратными
волнами
(отрицательными пространственными гармониками), появились позднее и
получили название ламп обратной волны (сокращенно ЛОВ).
Отличительной особенностью ламп прямой волны является то, что
направление движения электронов совпадает с направлением движения
энергии по замедляющей системе. В лампах обратной волны электронный
поток двигается навстречу потоку энергии. Эти особенности определяют
расположение входа и выхода СВЧ сигналов. В лампах прямой волны вывод
энергии расположен со стороны коллектора, в то время как в ЛОВ вывод
энергии находится на конце замедляющей системы, обращенном к
электронной пушке.
Лампы прямой и обратной волны подразделяются на две основные
группы,
различающиеся
направлением
и
назначением
постоянного
магнитного поля: ЛБВ типа О и ЛБВ типа М.
12
В приборах типа О происходит преобразование кинетической энергии
электронов в энергию СВЧ поля в результате торможения электронов этим
полем. Магнитное поле в таких лампах направлено вдоль направления
распространения пучка (продольное магнитное поле) и служит только для
целей фокусировки прямолинейного электронного пучка. Такую же роль
магнитное поле играет в пролетных клистронах. Поэтому клистроны, подобно
ЛБВ и ЛОВ, также относятся к группе приборов типа О.
В приборах типа М в энергию СВЧ поля переходит потенциальная
энергия электронов, смещающихся в результате многократного торможения и
разгона от катода к аноду. Средняя кинетическая энергия при этом остается
постоянной. Магнитное поле в таких приборах направлено перпендикулярно
направлению
распространения
пучка
(поперечное
магнитное
поле).
Электроны в лампах М-типа двигаются в постоянных скрещенных
электрическом и магнитном полях как в обычных магнеторных генераторах.
Далее в дипломной работе будет говориться только усилительные
лампы бегущей волны О типа. Схематичное изображение устройства ЛБВ на
рис. 1.1.
Рис. 1.1. Схема устройства ЛБВ.
Принцип действия ламп бегущей волны (ЛБВ) основан на механизме
длительного взаимодействия дрейфующего электронного потока с полем
замедленной электромагнитной волны. Электронная пушка формирует
электронный пучок с определенным сечением и интенсивностью. Скорость
электронов определяется ускоряющим напряжением. Так же ускоряющее
13
напряжение U0 обеспечивает требуемый синхронизм между электронами и
волной, замедленной до скорости порядка 0.1 c. Движение энергии по
замедляющей системе происходит в направлении движения электронов.
С помощью фокусирующей системы создающей продольное магнитное поле,
обеспечивается необходимое поперечное сечение пучка на всем пути вдоль
замедляющей системы (ЗС).
Рис 1.2. Виды замедляющих систем
В случае фазового синхронизма начальный участок спиральной
замедляющей системы ЛБВ выполняет функцию устройства, модулирующего
электронный поток по скорости.
Рис. 1.3. Процесс взаимодействия в ЛБВ при точном синхронизме:
а — в начальный момент t0; б — при t>t0
14
На
данном
рисунке
качественно
иллюстрируется
процесс
взаимодействия в ЛБВ при условии точного синхронизма, т.е. при υ0 ≈ υф.
На первой части рисунка изображены распределения Ez, Iz и положение
отдельных электронов в начале области взаимодействия (t=t0). Поскольку
предварительной группировки электронов в потоке нет, они расположены
равномерно вдоль оси z и Iz =const. Соответственно равномерно
распределены они и по фазам распространяющейся на входе волны Е1.
Силы, действующие на электроны, определяются фазой поля, в которой
они находятся (направления сил указаны стрелками): на электроны 1, 6,
11 поле волны не оказывает действия (они расположены в узлах Е z );
электроны 2—5 ускоряются, а электроны 7—10 тормозятся полем волны,
причем ускоряющие и тормозящие силы различны по величине в
зависимости от положения электрона.
Под действием этих сил электроны с течением времени начинают
смещаться и в некоторый момент t>t0 распределение электронов примет
вид, изображенный на второй части иллюстрации: электроны группируются вблизи электрона 5. За счет этого распределение заряда по длине
пучка становится неравномерным и появляется переменная составляющая
тока Iz. Эта составляющая возбуждает в замедляющей
системе поле Ez,
сдвинутое по фазе относительно «первичного» поля входного сигнала E1 на
— π/2. Теперь на поток, перемещаясь вместе с ним, действует уже
суммарное поле Еz, имеющее большую, чем E1, амплитуду и имеющее
некоторое смещение по фазе. Поскольку в режиме слабых сигналов (малые
смещения электронов) группировка нарастает пропорционально амплитуде
поля, а изменение амплитуды поля пропорционально сгруппированному току, можно ожидать, что для изменения амплитуды поля волны вдоль z
имеет место закон, близкий к экспоненциальному.
Если υe = υф, то электроны группируются в области нулевого значения
высокочастотного поля и электронный поток не обменивается энергией с
15
бегущей волной. Если υe<υф, то электроны отстают от волны и
группируются в области ускоряющего высокочастотного поля, которое
сообщает электронам дополнительную скорость. В результате входной
сигнал не усиливается, а ослабляется. Если υе > υф, то электроны,
находящиеся в ускоряющем поле, приобретают ускорение и перемещаются в
область тормозящего поля, где их движение замедляется. Следовательно,
электроны будут сосредоточены в тормозящем поле и передадут частично
свою кинетическую энергию бегущей волне. Амплитуда электромагнитной
волны по мере распространения вдоль замедляющей системы будет
возрастать. Поэтому необходимым условием усиления ЛБВ является такое
соотношение между скоростями υе и υф, при котором скорость электронов υе
немного превышает скорость электромагнитной волны.
Так как скорость электронов в процессе взаимодействия с полем
будет уменьшаться, то по мере движения вдоль замедляющей системы
сгустки электронов будут смещаться относительно бегущей волны.
Необходимо такое различие в скоростях, чтобы за время движения сгустка
вдоль всей длины замедляющей системы он не вышел из области
тормозящего поля.
Образованные электронные сгустки наводят в той же спирали ток и
создают тормозящее высокочастотное поле, обеспечивающее отбор энергии
от электронного потока и усиление входного сигнала.
1.3. Параметры и характеристики ЛБВ
Основными параметрами и характеристиками ЛБВ являются:
1) коэффициент усиления ;
2) диапазон рабочих частот ;
3) коэффициент шума ;
4) максимальная выходная мощность .
16
Таблица 1.1 Основные параметры ЛБВ
Вид ЛБВ
fмакс/fмин
Ку , дб
Рвых , Вт Uпит , В
Iлуча ,
мА
Малошумящие
1,1 ÷ 2,0
15 ÷ 35
10-3 ÷ 10- 250 ÷ 1200
0,2 ÷ 1,5
2
Промежуточные 1,1 ÷ 4
25 ÷ 60
10-2 ÷ 1,0 600 ÷ 2000
Малой
мощности
1,5 ÷ 2
20 ÷ 60
1,0 ÷ 20
103 ÷ 4·103
25 ÷ 70
Средней
мощности
1,5 ÷ 2
20 ÷ 35
20 ÷ 102
1,5·103 ÷
4·103
50 ÷ 100
Большой
мощности
1,5 ÷ 2
13 ÷ 30
≥102
2·103÷2·104 200 ÷
2500
Максимальный
коэффициент
усиления
ЛБВ
1 ÷ 15
со
спиральной
замедляющей системой зависит от постоянного ускоряющего напряжения.
Реально достижимое значение коэффициента усиления ЛБВ средней и
большой мощности составляет 30-50 дБ, то есть несколько ниже, чем у
многорезонаторных клистронов (60 дБ). В маломощных ЛБВ коэффициент
усиления может достигать 60 дБ.
Особенно ценным свойством ЛБВ является их широкополосность.
Коэффициент усиления ЛБВ при неизменном ускоряющем напряжении может
оставаться почти неизменным в широкой полосе частот — порядка 20 — 50 %
от средней частоты. В этом отношении ЛБВ значительно превосходят
усилительные клистроны, которые могут обеспечивать весьма высокое
усиление, но имеют значительно более узкую полосу частот.
Еще одним преимуществом
ЛБВ является то, что они обладают
меньшим коэффициентом шума, чем другие лампы. Например, коэффициент
шума в ЛБВ составляет 6-12 децибел, а в клистронах порядка 25 дб. Хотя это
17
преимущество ЛБВ является менее принципиальным, однако оно имеет
большое практическое значение.
Рабочая полоса частот ЛБВ частично определяется дисперсией
замедляющей системы, т.е. изменением фазовой скорости замедленной волны
в зависимости от частоты. При фиксированном ускоряющем напряжении U0
скорость электронов υ0 остается неизменной. Следовательно, чем слабее
дисперсия замедляющей системы, тем шире диапазон частот, в пределах
которого может удовлетвориться условие синхронизма электронов и волны.
Среди многих известных типов замедляющих систем наибольшую
широкополосность обеспечивают спиральные системы.
Электроны, пролетая сквозь замедляющую систему, отдают часть
своей кинетической энергии СВЧ полю, что приводит к уменьшению
скорости электронов. Но при этом нарушается условие фазового синхронизма
υe ≅ υф. Отсюда вытекает основное ограничение КПД ЛБВ, связанное с
невозможностью отдачи всей кинетической энергии электронов СВЧ полю:
электронные сгустки смещаются из области тормозящего поля в область
ускоряющего.
Нижний предел скорости электронов определяется фазовой скоростью
замедленной волны. Поэтому величина КПД должна быть тем больше, чем
значительнее превышение начальной скорости электронов над фазовой
скоростью волны в замедляющей системе. Однако при увеличении
рассинхронизма ухудшается группирование на входном участке замедляющей
системы и резко уменьшается коэффициент усиления. Таким образом,
требования максимального КПД и высокого коэффициента усиления в ЛБВ
оказываются противоречивыми.
В зависимости от назначения ЛБВ выпускаются на выходные
мощности от долей мВт (входные маломощные и малошумящие ЛБВ в
усилителях СВЧ) до десятков кВт (выходные мощные ЛБВ в передающих
18
устройствах СВЧ) в непрерывном режиме и до нескольких МВт в импульсном
режиме работы.
1.4. Конструкция и основные узлы ЛБВ
Электровакуумный
прибор,
работа
которого
основана
на
взаимодействии электронного потока и бегущей волны, впервые предложил и
запатентовал американский инженер А. Гаев (A. Hoeff) в 1936. Первую ЛБВ
создал американский учёный Р. Компфнер (R. Kompfher) в 1943. Первые
теоретические работы по ЛБВ опубликовал американский физик Дж. Пирс (J.
Pierce) в 1947.
Основными частями ЛБВ являются: электронная пушка для создания и
формирования электронного потока; замедляющая система, снижающая
скорость распространения электромагнитной волны вдоль оси ЛБВ до
скорости, близкой к скорости электронов, для синхронного движения волны с
электронным потоком (обычно используется металлическая спираль, жестко
закрепленная продольными диэлектрическими опорами и отличающаяся
слабой зависимостью скорости бегущей вдоль неё волны от частоты,
благодаря
чему
достигается
эффективное
взаимодействие
волны
с
электронным потоком в широкой полосе частот); фокусирующая система
(периодическая система постоянных магнитов, соленоид или др.) для
удержания магнитным полем электронного потока в заданных границах
поперечного сечения по всей его длине; коллектор для улавливания
электронов; ввод и вывод энергии электромагнитных колебаний; поглотитель
энергии колебаний СВЧ на небольшом участке замедляющей системы для
устранения самовозбуждения ЛБВ из-за отражений волн от концов
замедляющей системы.
Для подробного изучения конструкций ЛБВ рассмотрим основные
узлы реально существующей спиральной ЛБВ, работающей в
рассматриваемом диапазоне частот. Ее общий вид представлен на рисунке
1.4.
19
Рис 1.4. Общий вид ЛБВ.
1 – электронная пушка; 2 – выходной коаксиально-волноводный
переход; 3 – коллектор; 4 – магниты МПФС; 5 – входной коаксиальный
разъем; 6 – основание; 7 – радиатор; 8 – кожух
Рассматриваемая ЛБВ имеет металлокерамическую пакетированную
конструкцию, основными узлами которой являются электронная пушка.
Спиральная замедляющая система с входным и выходным выводами энергии
и коллектор. Магнитная периодическая фокусирующая система (МПФС),
предназначенная для обеспечения пропускания электронного потока во
внутреннем канале ЗС, устанавливается непосредственно на корпус ЛБВ и
фиксируется при изготовлении прибора.
Конструкция корпуса ЛБВ замедляющей системы представляет собой
набор полюсных наконечников и промежуточных втулок спаянных между
собой медным припоем.
Основной особенностью конструкции корпуса является отсутствие
внутренней трубки, характерной для обычно применяемых конструкций
такого типа. Отсутствие трубки позволяет приблизить внутреннюю
поверхность полюсных наконечников к оси магнитного канала и,
соответственно, создавать периодические фокусирующие поля со значительно
большей амплитудной составляющей магнитной индукции по сравнению с
конструкциями корпуса, в которых используется тонкостеночная внутренняя
трубка. Это играет важную роль при создании мощных приборов. Так же
можно обеспечить более точное расположение внутренних поверхностей
полюсных наконечников магнитнопериодической фокусирующей системы,
что создает условия для однородности магнитного поля в радиальном
направлении и, соответствен, сказывается на фокусировке интенсивного
электронного потока.
20
Отсутствие внутренней трубки накладывает более жесткие требования
по газопроницаемости, к качеству паянных швов, соединяющих детали
корпуса (около 100 деталей).
Существует несколько требований предъявляемых к корпусу лампы
бегущей волны:
- обеспечение хорошего теплоотвода от элементов системы;
- обеспечение вакуумной плотности паяных швов для достижения
высокой надежности, долговечности и сохранности прибора, т.к. корпус ЛБВ
является частью вакуумной оболочки прибора;
- обеспечение хорошей соосности полюсных наконечников МПФС с
внутренним каналом корпуса, предназначенным для размещения ЗС, что
необходимо для получения токопрохождения в приборе не менее 98%;
- корпус ЛБВ должен предусматривать возможность обеспечения
эффективного теплоотвода от полюсных наконечников;
- иметь достаточную жесткость для обеспечения прочности прибора к
воздействию внешних механических факторов.
Трехэлектродная электронно-оптическая система (рис. 1.5.), в которой
фокусирующий электрод находится под одним потенциалом с катодом и
конструктивно соединен с ним внутри прибора, формирует электронный
пучок с определенным сечением и интенсивностью.
Рис 1.5. Общий вид конструкции электронной пушки
(1 - эмиттер, 2 - электрод управляющий, 3 - электрод подфокусирующий
внешний, 4 - электрод подфокусирующий внутренний, 5 - электрод
фокусирующий, 6 - анод)
21
Требования предъявляемые к устройствам данного типа:
- высокая точность изготовления, в частности обеспечение заданных
размеров между отдельными электродами, а так же хорошей соосности (в
пределах 0,05 мм) электронной пушки с осью ЗС при сборке ЛБВ, что очень
важно для обеспечения высокого токопрохождения в приборе;
- высокая межэлектродная электрическая прочность, необходимая для
обеспечения надежной работы прибора в течение срока службы.
Ускоряющее напряжение между катодом и замедляющей системой Uo
обеспечивает требуемый синхронизм между электронами и замедленной
волной. Движение электромагнитной волны вдоль замедляющей системы
происходит в направлении движения электронов. Фокусировка электронного
потока ЛБВ осуществляется с помощью постоянного магнитного поля,
создаваемого магнитной периодической фокусирующей системой (МПФС) и
направленного вдоль оси лампы.
Магнитное поле периодической фокусирующей системы обеспечивает
оптимальное прохождение электронного пучка внутри замедляющей системы
ЛБВ.
22
Рис. 1.6. Конструкция спиральной ЗС мощной ЛБВ.
(1 – спираль; 2 – комбинированные опоры; 3 – корпус)
Спиральная замедляющая система, изображенная на рис 1.6.,
состоящая из собственно спирали и трех металло-керамических опор,
крепится во внутреннем канале корпуса между диэлектрическими стержнями.
Часть электронов, влетающих в спиральную замедляющую систему, движется
под некоторым углом к оси внутреннего канала. Под действием магнитных
полей
фокусирующей
системы
происходит
оседание
электронов
на
поверхность замедляющей системы и, как следствие этого, нагрев спирали,
что может привести к прогоранию спирали и выводу ЛБВ из строя. Поэтому
опоры ЗС должны обладать не только диэлектрическими свойствами, но и
высокой теплопроводностью. Последнее требование важно для ламп средней
и большой выходной мощности.
23
Рис. 1.7. Комбинированная металлокерамическая опора.
Комбинированные металлокерамические опоры состоят из двух частейметаллической и керамической. Керамическая часть обеспечивает контакт
между
спиралью
и
опорой
замедляющей
системы.
Металлическая
обеспечивает контакт между керамическим стержнем и корпусом.
Применение комбинированных металлокерамических опор в замедляющих
системах мощных ЛБВ обусловлено:
- созданием условий для расширения рабочего диапазона прибора;
- снижением диэлектрической нагрузки на спираль и, следовательно,
снижается погонное затухание в ЗС;
- значительное улучшение теплового контакта между керамическим стержнем
и корпусом, в случае использования в качестве металлической части опоры
медь;
- сокращением количества деталей, которые необходимо разместить во
внутреннем канале корпуса при создании сверхширокополосных ЗС, что
особенно важно при продвижении в коротковолновый диапазон из-за
уменьшения поперечных размеров;
- наличие металлической основы обеспечивает тепловую и механическую
связь всех элементов в случае появление поперечных трещин в керамических
опорах, нередко возникающих при закреплении ЗС в корпусе.
На входе и выходе замедляющей системы есть
специальные устройства, обеспечивающие вход и
выход СВЧ-энергии в вакуумную полость прибора,
24
для
согласования
являющимися
ее
с
частью
линиями
и
передачи,
радиоэлектронной
аппаратуры.
Последние могут быть либо волноводными,
либо коаксиальными. На вход поступает СВЧ сигнал,
1
который усиливается в приборе и с выхода передается
в нагрузку. В рассматриваемом приборе используются
коаксиальные
выводы
энергии
различной
конструкции. Отличие в конструкции связано с
различными уровнями СВЧ мощности (более чем в
2
1000 раз), проходящей через них. Особых требований
для устройства ввода энергии в замедляющую
системе не требуется, т.к. на вход подается сигнал не
высокой мощности и
измеряется, как правило, в
милливаттах (мВт). Поскольку выходная мощность
рассматриваемого прибора составляет в непрерывном
Рис. 1.8.Выходной вывод
режиме несколько сотен ватт, его конструкции,
представленной на рисунке, уделено особое внимание
в части обеспечения теплопередачи от центрального
проводника коаксиала.
Для этой цели используются специальные вкладыши из бериллиевой
керамики, обладающие хорошей теплопроводностью, которые припаяны к
центральному и внешнему проводнику коаксиала во внутривакуумной
полости
прибора.
устанавливается
С
наружней
части
выходного
коаксиально-волноводный
вывода
переход
энергии
H-сечения,
обеспечивающий передачу СВЧ-энергии более чем октавной полосе частот..
Достичь идеального согласования замедляющей системы с входной и
выходной лилии во всем рабочем диапазоне и тем более за его пределами
практически не возможно. Поэтому усиленная волна частично отражается на
25
выходе от имеющейся неоднородности, и, не взаимодействия с электронным
потоком, двигается в обратном направлении, создавая внутреннюю обратную
связь, при этом ЛВБ может перестать выполнять свои функции усилителя и
перейти в режим генератора.
Самовозбуждение имеет место если удовлетворены следующие
условия:
1. амплитуда “вторичной” (дважды отращенной) волны на входе
лампы не меньше амплитуды “первичной ” бегущей волны;
2. фаза “вторичной” волны после двукратного отражения
и
двукратного пробега по замедляющей системе отличается от фазы
“первичной ” волны на 2πn, где n – любое целое число.
Обратная связь и, как следствие, переход из режима усиления в режим
генерации крайне не желательны для любого усилителя. Поэтому для
устранения самовозбуждения вводится локальный поглотитель, который
может быть выполнен в виде стержня из поглощающей керамики или в виде
поглощающих пленок.
В мощных связных ЛБВ для обеспечения достаточно высокого
значения
эксплуатационного
КПД
(порядка
35%)
используется
двухсекционный коллектор, конструкция которого приведена на рис.4.7.
Коллектор, имеющий две токоприемные секции 1 и 2, изолирован-ные
друг внутри вакуумной полости от друга и от корпуса коллектора 4 за счет
использования двенадцати керамических стержней 3 из оксида бериллия и
закрепленные посредством термообжима при нагреве конструкции до
улучшения теплового контакта и, соответственно, теплопередачи наружная
поверхность токоприемников имеет двенадцать граней, а прилегающая к ним
поверхность стержней имеет продольную лыску шириной 2,5 мм.
26
Электронно-оптическая система коллектора представляет собой
асимметричную электростатическую линзу между токоприемниками, под
действием которой электронный пучок отклоняется от оси в области второй
секции, в результате чего поток вторичных и отраженных электронов с этой
секции обратно на первую секцию коллектора и в область замедляющей
системы, что положительно влияет на работу прибора.
Конструкция
данного
коллектора
предусматривает
наличие
кольцевого магнита (рис.1.9) на корпусе в области первой секции,
создающего магнитное поле на оси с величиной индукции, составляющей
около 25% от амплитуды индукции поля, создаваемого МПФС, которое
помогает
пропустить
электронный
поток
внутри
первой
секции
с
минимальным оседанием электронов на нее. Ток первой секции коллектора
составляет 3-4% тока электронного потока в статическом режиме (при
отсутствии входного сигнала) и не превышает 15% в режиме насыщения.
1
2
3
4
Рис.1.9. Двухсекционный коллектор
1-токоприемник 1 секции; 2-токоприемник 2 секции; 3-керамический стержень; 4корпус коллектора.
27
В
результате
использования
двухсекционного
коллектора
рассматриваемой конструкции удается за счет применения двухступенчатой
рекуперации вдвое снизить мощность электронного потока в области
коллектора по сравнению с мощностью потока в области пространства
взаимодействия.
28
Глава II. Конструкция и технология
замедляющей системы мощной ЛБВ
2.1. Общие вопросы.
При конструировании замедляющей системы обычно приходиться
решать две основные задачи:
1. Выбор конструкции замедляющей системы ( диаметр и шаг
спирали, длины секций, размеры диэлектрических опор, форма провода и т.д.)
с целью обеспечения ее электродинамических параметров ( замедления п и
сопротивления
связи
взаимодействия
электромагнитной
RCB
),
от
которых
волны
с
зависит
эффективность
электронным
потоком
в
требуемом диапазоне частот.
Эта задача при разработке ЛБВ обычно решается посредством
проведения расчетов, в том числе с использованием компьютерных программ,
а также экспериментальными измерениями для корректировки математических
моделей.
2.
Обеспечение
эффективного
отвода
тепла
от
спирали,
выделяющегося в ней за счет ВЧ потерь и токооседания, возникающих в
процессе взаимодействия. При этом, при конструировании прибора стараются
создать условия, когда ВЧ-потери и ток оседания на спираль минимальны.
Тепло, выделяемое в спирали, может отводиться на корпус ЗС только за счет
теплопроводности. Поэтому при выборе конструкции, в зависимости от
возможной тепловой нагрузки, используют опорные керамические стержни с
хорошей теплопроводностью (оксид берилия, нитрид бора), уделяют большое
внимание качеству тепловых контактов между спиралью и опорой, с одной
стороны, и опрой и внутренней поверхностью корпуса-с другой.
29
Основным фактором, определяющим полосу частот усиливаемых
сигналов ЛБВ, является дисперсия замедляющей системы. Под дисперсией
понимают зависимость фазовой скорости волны от частоты. Различают
четыре вида дисперсии:
1) Нормальная дисперсия, при которой фазовая скорость в рассматриваемом
диапазоне частот уменьшается с ростом частоты колебаний.
2) Аномальная дисперсия, характеризуемая увеличением величины фазовой
скорости при повышении частоты.
3) Положительная (прямая) дисперсия, при которой направления фазовой и
групповой скоростей совпадают.
4) Отрицательная (обратная) дисперсия, в случае которой фазовая скорость
волны направлена в сторону, противоположную групповой скорости.
На
рисунке
показаны
2.1
случаи
нормальной
положительной
дисперсии(1), аномальной положительной (2) и аномальной отрицательной
(3).
n
1
2
3
λ
Рис. 2.1
В ЛБВ дисперсия является всегда положительной.
Для эффективного взаимодействия
электронного потока с волной
необходимо, чтобы при заданном потоке энергии P через систему была велика
составляющая электрического поля, тормозящего электроны. Эффективность
30
взаимодействия электронов с полем чаще всего характеризуют величиной
(сопротивление связи):
Где
P - средний по времени поток энергии, переносимый через любое
поперечное сечение системы.
- средний по сечению электронного потока и его длине квадрат
амплитуды составляющей электрического поля, взаимодействующий с
электронным потоком. βm – Фазовая постоянная волны в замедляющей
системе при отсутствии электронного потока. Усреднение по длине
потока обычно ведут в предположении, что система бесконечна. Оно
сводится к вычислению так называемых амплитуд пространственных
гармоник. Символ «m» указывает номер пространственной гармоники .
Величина Rсв имеет размерность сопротивления [Ом]. Вместе с Rсв
растет коэффициент усиления ЛБВ, растет КПД приборов.
В большинстве работ, однако, используется понятие сопротивления
связи. Типичная величина Rсв для спирали, при реально используемых
значениях замедления в зависимости от диапазона частот составляет от сотен
до нескольких десятков и даже единиц Ом.
Подобно характеристическому (волновому) сопротивлению обычных
длинных линий, величина Rсв зависит только от конфигурации проводников
рассматриваемой линии и, если отсутствует нелинейный диэлектрик, не
зависит от величины передаваемой мощности.
Физический смысл сопротивления связи Rсв можно сравнить также со
смыслом активной проводимости полых резонаторов G. Обе рассматриваемые
величины позволяют найти напряжение или напряженность электрического
поля, если известна высокочастотная мощность, поступающая в систему.
31
Сходство можно усмотреть и в неоднозначности величин Rсв и G, зависящих
от выбранного пути отсчета. В самом деле, поле вблизи замедляющей
системы не является неизменным, а убывает по экспоненциальному или по
близкому к экспоненциальному закону по мере удаления от поверхности
системы.
Большей частью, если не делается иных оговорок, при вычислении
сопротивления связи рассматривается электрическое поле, существующее на
поверхности системы или на оси ее симметрии, где пропускается
электронный поток. Чем больше расстояние от поверхности замедляющей
системы, тем слабее напряженность поля при одной и той же мощности
бегущей волны и тем меньше соответствующее сопротивление связи.
Строгий аналитический расчет сопротивления связи для конкретных
замедляющих систем является нелегкой задачей и возможен лишь в
простейших случаях. Тем не менее, введение понятия сопротивления связи
даже в общем виде имеет большое значение для построения теории
электронных приборов СВЧ. Чем больше величина Rсв, тем выше
оказывается коэффициент усиления ламп бегущей волны. Важную роль в
определении сопротивления связи играет эксперимент.
2.2. ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ СПИРАЛЬНОЙ ЗАМЕДЛЯЮЩЕЙ
СИСТЕМЫ.
Применение в ЛБВ спиральной замедляющей системы классической
конструкции (рис.2.2.), то есть представляющей собой спираль, закрепленную
в металлическом экране с помощью диэлектрических опор круглого или
прямоугольного
сечения,
которая
обладает
нормальной
дисперсией,
позволяет обеспечить полосу усиливаемых частот ЛБВ не более октавы
 f

 66%  [1].


 f ср

32
Рис.2.2. Классическая конструкция ВЧ-блока.
1-Спираль; 2-Диэлектрические опоры; 3-Металлический экран.
Создание ЛБВ с более широкой полосой усиливаемых частот
достигается применением замедляющей системы со слабо аномальной или
нулевой дисперсией. Однако получение ее сопровождается падением
сопротивления связи по сравнению с системами с нормальной дисперсией,
чем обуславливается более низкий КПД, но этот шаг позволяет расширить
полосу усиливаемых частот до двух октав. Анализ работы замедляющей
системы показывает, что ограничение полосы частот усиливаемых сигналов в
ЛБВ определяется двумя факторами:
1) Отсутствием
синхронизма,
электродинамических
обусловленного
характеристик
замедляющей
изменением
системы
(коэффициента замедления и сопротивления связи) в частотном
диапазоне.
2) Уменьшением
коэффициента
усиления
вследствие
уменьшения
электрической длины прибора.
Длинноволновая граница в случае нулевой и аномальной дисперсии
определяется, главным образом, вторым фактором, а при нормальной
дисперсии – первым. Коротковолновая граница всегда определяется только
первым фактором.
33
Первым способом получения замедляющей системы с нулевой или
аномальной дисперсией для расширения полосы ЛБВ является приближение
экрана к спирали (рис.2.3.).
Рис.2.3. Приближение экрана к спирали.
Сопротивление связи в такой замедляющей системе становится очень
низким и, следовательно, получить большие значения КПД в таком приборе
невозможно.
Другим
способом
является
введение
в
замедляющую
систему
азимутальной анизотропной проводимости (Этот способ был предложен
Пчельниковым Ю. Н.). Одной из первых была теоретически рассмотрена
замедляющая
система
с
введенными
между
спиралью
и
экраном
проводящими стержнями, расположенными по окружности параллельно оси
системы (рис.2.4.). Изменяя положение ребер и зазор между ними и
спиралью, можно изменить наклон дисперсионной характеристики и перейти
из нормальной дисперсии в аномальную. Сопротивление связи такой системы
оценивается приближенно.
34
Рис.2.4. Конструкция замедляющей системы, позволяющая получить аномальную
дисперсию.
1-Спираль; 2-Продольные ребра; 3-Металлический экран.
Анализ влияния ширины продольных стержней и их расстояния от
спирали на дисперсию показал, что влияние на замедление при одинаковой
дисперсии тем слабее, чем меньше ширина стержней и больше расстояние от
них до спирали.
В конструкции замедляющей системы, изображенной на рис.2.5,
рис.2.6, рис.2.7, используя металлический экран с продольными ребрами
различной конфигурации, варьируя число ребер, ширину и расстояние от них
до спирали, можно получить нулевую, смешанную или аномальную
дисперсии.
Рис.2.5. Изменение ширины продольных стержней.
35
Рис.2.6. Изменение числа ребер.
Рис.2.7. Изменение высоты ребер.
В разное время было предложено большое количество конструкций
спиральных
замедляющих
проводимостью
экрана,
систем
но
в
с
силу
азимутально-анизотропной
своей
нетехнологичности,
малоэффективности и неустойчивости конструкции не используются в
практике. Были отобраны те, которые отвечают вышеперечисленным
требованиям.
Рассмотрим
две
такие
конструкции,
изображенные
на
рис.2.8(N1) и рис.2.9(N2): Спираль 1 закреплена в металлическом корпусе 4 с
использованием трех диэлектрических штабиков (опор) 2. Азимутальноанизотропная
проводимость
обеспечивается
металлическими
ребрами
различной конфигурации 3.
Теоретический анализ позволил определить основные закономерности
влияния количества, размера ребер и их расстояния от спирали на дисперсию
и сопротивление связи. Установлено, что характер дисперсии сильно зависит
36
от высоты ребер. Сопротивление связи уменьшается с ростом высоты ребер,
причем в большей мере в длинноволновой части диапазона.
Увеличение, как ширины, так и количества ребер приводит к росту
замедления, но число ребер влияет более существенно. При этом
сопротивление связи с шестью узкими ребрами оказывается намного больше,
чем сопротивление связи в системе с тремя широкими ребрами.
По результатам можно сделать вывод, что при одном и том же
изменении дисперсии уменьшение сопротивления связи будет меньше, если
это изменение достигнуто за счет увеличения числа ребер при сохранении их
формы, а не наоборот. Кроме того, показано, что применение экрана с
продольными ребрами позволяет получить аномальную дисперсию при
значениях сопротивления связи в 1,52 раза больших, чем при приближении
оболочки к спирали в конструкции замедляющей системы с изотропным
экраном. Исследования показали одинаковую эффективность спиральной
замедляющей системы (рис.2.8.) и (рис.2.9.), причем N1 рекомендован как
более технологичный, а N2 как более эффективный. Проведенное сравнение
замедляющей системы с металлокерамическими стержнями
Рис. 2.8. Вариант N1 конструкции замедляющей системы.
1 – спираль; 2 – диэлектрический штабик;
3 – металлическое ребро; 4 – металлический экран.
37
(рис.2.8.) и замедляющей системы с шестью продольными ребрами (рис.2.4.)
показало, что при одной и той же аномальной дисперсии в двухоктавной
полосе частот сопротивление связи в приборе с металлокерамическими
стержнями
выше.
Это
объясняется
металлокерамических стержней
тем,
что
использование
в ВЧ пакете позволяет значительно
уменьшить объем диэлектрика и, соответственно, снизить диэлектрические
потери. Но в то же время сопротивление связи такой замедляющей системы
ниже, чем в замедляющей системе с изотропным экраном с нормальной
дисперсией (рис.2.2.).
Далее сравнили N1 и N2 (при одинаковой дисперсии, в одном диапазоне
частот), сопротивление связи N2 больше, чем N1. Это обьясняется тем, что во
второй конструкции 10 ребер против 6 в первой и ребра во второй
конструкции тоньше, чем в первой. Диэлектрические потери больше во
второй конструкции, так как объем диэлектрика круглых опор больше объема
штабиков, влияние этих потерь сказывается на к.п.д.
Рис. 2.9. Вариант N2 конструкции замедляющей системы.
1 – спираль; 2 – диэлектрическая опора ;
3 – металлическое ребро; 4 – металлический экран.
Анализ конструкций ЗС показал, что обе замедляющие системы с
металлокерамическими опорами (штабиками) эффективно взаимодействуют с
пучком электронов, при этом не теряя свое свойство сверхширокополосности.
38
Однако
конструкция
замедляющей
системы
N1
была
выбрана
для
проектирования ЛБВ с заданными параметрами. Это связано с тем, что в ЗС
N1 диэлектрические опоры имеют большую площадь соприкосновения со
спиралью, что обеспечивает лучший теплоотвод от нее. Поэтому ЗС
конструкции N1 используют в ЛБВ с большей мощностью, чем ЗС
конструкции N2. Также конструкция N1 является наиболее технологичной.
2.3. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К КОНСРУКЦИИ СПИРАЛЬНОЙ
ЗАМЕДЛЯЮЩЕЙ СИСТЕМЫ.
Выбрав конструкцию замедляющей системы, следует определить
материалы, из которых она будет изготавливаться. Выбор материалов
определяется требованиями к теплорассеивающей способности системы,
которая и будет определять максимальную выходную мощность прибора.
Также
надо
учитывать
электрические
параметры
материалов
и
технологичность изготовления из них элементов замедляющей системы. Для
получения необходимого вакуума в готовом приборе (~ 10-7 мм. рт. ст.) все
материалы должны иметь малое собственное газовыделение.
Поскольку теплорассеивающая способность определяется отводом
тепла от спирали по опорам, то выбор металлокерамических опор выгоден и с
этой точки зрения, так как в собранном блоке имеется хороший паяный
контакт между диэлектриком и металлическим держателем и хорошие
контакты спираль - держатель и корпус – держатель.
В качестве материала держателя применена медь, имеющая высокую
электро- и теплопроводность. Одновременно с этим, благодаря высокой
пластичности меди, для изготовления необходимой конфигурации держателя
можно применить метод объемной штамповки, обеспечивающий высокую
точность и повторяемость геометрических размеров держателя, что важно с
точки зрения повторяемости характеристик замедляющей системы в
различных экземплярах ламп.
39
В качестве материала керамической части опоры применена керамика
из окиси бериллия (ВеО), обладающая уникальной теплопроводностью при
достаточно хороших электрических характеристиках (=6,8; tg=0,0005).
При выборе материала спирали необходимо найти компромисс между
тем, что для навивки спирали требуется пластичный материал, но при этом
навитая спираль должна быть достаточно жесткой и формоустойчивой. Также
материал
спирали
должен
обладать
минимальными
электрическими
потерями. Материал спирали должен быть рассчитан на высокие рабочие
температуры. Наиболее для изготовления спирали подходят упрочненная
медь,
вольфрам
и
молибден.
Медная
спираль
требует
сложных
технологических процессов для ее закрепления. Вольфрам можно навивать
только в нагретом состоянии, так как
в холодном состоянии он легко
расслаивается и ломается. Этих недостатков в определенной мере лишен
молибден. Он допускает достаточно высокие рабочие температуры и более
пластичен, чем вольфрам. Применение электрохимической полировки
позволяет уменьшить высокочастотные потери за счет уменьшения общей
протяженности скин-слоя. Поэтому материалом для изготовления спирали
был выбран молибден.
Как уже говорилось выше, для борьбы с самовозбуждением в
замедляющую систему вводится поглотитель. Обычно в качестве поглотителя
используют углеродную пленку, нанесенную на поверхность диэлектрических
опор. При этом поглотитель электрически соединяет спираль с корпусом, что
необходимо для соединения спирали с источником напряжения замедляющей
системы.
Усиливаемая электромагнитная волна, проходя через замедляющую
систему, может отражаться от неоднородностей системы (выводов энергии,
разрывов замедляющей системы и т.д.), и если не принять специальных мер,
то это может привести к самовозбуждению прибора. Самовозбуждение ЛБВ, а
также отдельных секций замедляющей системы может происходить как на
прямой, так и на обратной гармонике. Поэтому длина секции должна быть
40
достаточно мала (для устранения возбуждения как на прямой, так и на
обратной гармониках), а для устранения возбуждения на отраженной от
выхода ЛБВ волне КСВ поглотителя должен быть минимальным, для чего
поглотитель необходимо сделать максимально согласованным с системой.
Для
этого
на
концах
поглотителя
добиваются плавного
изменения
поглощения от минимума к максимуму.
Параметры поглотителя имеют сильное влияние на работу ЛБВ,
поэтому одновременно с расчетом параметров замедляющей системы ведется
расчет и параметров поглощающего участка (его длины, положения вдоль
участка взаимодействия и величины затухания).
Таким образом, представленная конструкция замедляющей системы,
позволяет решить задачу обеспечения мощности на выходе ЛБВ 300 Вт в
диапазоне частот 13 ГГц ± 10% при коэффициенте усиления не менее 25дБ и
рабочем напряжении 7 ÷ 8 кВ, что успешно подтверждено разработками
предприятия, на котором проводилось дипломное проектирование.
2.4. Методы закрепления замедляющей системы в корпусе прибора
В спиральных ЛБВ тепловые контакты между элементами, входящими
в замедляющую систему, о важности которых говорилось выше, обычно
обеспечиваются за счет сжатия ее конструкции в радиальном направлении
при закреплении замедляющей системы в корпусе прибора.
Зажатие спиральной замедляющей системы осуществляется за счет
упругой (триангуляция) или термической (горячая посадка, термообжим)
деформации корпуса.
Выбор того или иного метода зажатия замедляющей системы связан с
конструкцией вакуумной оболочки прибора.
Триангуляция – трехсторонняя деформация упругой тонкостенной
металлической трубки.
41
К преимуществам метода закрепления ЗС в корпусе прибора за счет
упругой деформации можно отнести малую трудоемкость сборки и простоту
специального технологического оборудования, что достаточно удобно при
организации производства. К недостаткам, ограничивающим применение
этого метода при создании мощных широкополосных ЛБВ следует отнести
относительно плохой теплоотвод от вакуумной оболочки к внешней системе
охлаждения, недостаточная прочность конструкции из-за малой толщины
стенок вакуумной оболочки, а также сложность сборки ЛБВ с магнитами
МПФС и юстировки прибора.
Метод термофиксации (термообжим)
- закрепление ВЧ блока
осуществляется за счет деформации корпуса при нагреве.
Недостатком
этого
метода
является
неравномерное
зажатие
спиральной ЗС по ее длине. Это связано: во-первых, с тем, что используемое
приспособление создает сдавливающее усилие в точках, расположенных с
определенным периодом (между полюсными наконечниками). Во-вторых,
термическая деформация корпуса уменьшается от центра приспособления к
его периферии. В результате последние витки спирали, находящиеся у
выходного устройства вывода энергии, которые обычно имеют максимальную
температуру, могут быть зажаты с натягом всего 0,01-0,02 мм, что является
недостаточным
с
точки
зрения
обеспечения
удовлетворительного
теплоотвода.
Для создания ЛБВ с выходной мощностью более 100 Вт на
предприятии, на котором проводилось дипломное проектирование, для
вставки и закрепления замедляющей системы с определенным натягом в
корпусе прибора используется метод горячей посадки, т.к. он создает
возможность получить достаточно низкие значения тепловых сопротивлений
конструкции в радиальном направлении, что, в свою очередь, улучшает
тепловой режим спирали.
42
При использовании метода горячей посадки замедляющая система
ЛБВ, состоящая из керамических стержней и спирали, предварительно
собранная на специальной оправке, вставляется в нагретый до высокой
(обычно порядка 800°С - 900°С) температуры корпус прибора. Последний
представляет собой конструкцию из полюсных наконечников и немагнитных
промежуточных втулок, спаянных между собой высокотемпературным
припоем (обычно -медью Тпл=1083оС). Поскольку корпус прибора при нагреве
до высокой температуры расширяется, то в его внутренний канал можно
вставить подготовленную в оправке замедляющую систему. Для обеспечения
такой сборки необходимо, чтобы диаметр внутреннего канала нагретого
корпуса на 0,01-0,015мм превышал диаметр окружности, описанной вокруг
замедляющей системы, создавая сборочный зазор. После проведения вставки и
снятия
температуры
корпус
прибора,
охлаждаясь,
должен
выбрать
посадочные зазоры, перекрыть поле допусков и обеспечить гарантированный
натяг замедляющей системы, создавая достаточно хорошие контакты между
элементами конструкции.
Таким образом, для рассматриваемого нами случая при нагревании
корпуса с диаметром внутреннего канала около 4,5мм до 900°С его величина
увеличится на
ΔdBH=α*ΔT* dBH≈0,04 мм,
где α -коэффициент линейного расширения (для стали α ≈ 12*10-6
1/град) ∆T - изменение температуры корпуса (∆Т≈880°С), dBH - диаметр
внутреннего канала корпуса (dBH≈6 мм).
В результате с учетом обеспечения сборочного зазора для вставки
величиной 0,01-0,015 мм можно создать натяг в собранной конструкции
высокочастотного блока по всей его длине после остывания корпуса
величиной не более 0,045-0,05 мм.
43
Подбор элементов замедляющей системы и корпуса для осуществления
сборки таким способом производится селективным методом. Сначала
производится измерение элементов, входящих в замедляющую систему, т.е.
наружного диаметра спирали и высоты опор, при этом, подбирая опоры таким
образом, чтобы их высоты не отличились более чем на 0,01 мм друг от друга.
Это важно для дальнейшего обеспечения соосности основных узлов ЛБВ:
электронной пушки, замедляющей системы и МПФС.
Для проведения вставки замедляющей системы в корпус ЛБВ на
предприятии
разработана
и
изготовлена
специальная
вакуумная
автоматизированная установка.
Вставка замедляющей системы в корпус производится следующим
образом. В этой установке на одной оси устанавливается корпус и собранная в
специальной оправке замедляющая система, прикрепленная к подвижной
тяге. Корпус и замедляющая система разделены тепловым экраном. После
установки этих элементов для сборки опускается колпак и производится
откачка с помощью вакуумной системы до давления 10-4 мм рт. ст.
После достижения вакуума корпус нагревается до требуемой
температуры
с
помощью
высокочастотных
индукционных
токов
от
специального мощного генератора. После достижения заданной температуры
выключается нагрев и включается пневматическая система, которая быстро
перемещает тягу с замедляющей системой и вставляет ее внутрь корпуса в
определенном положении. Затем после вставки под колпак подается струя
азота для быстрого остывания корпуса, собранного с замедляющей системой,
после чего колпак установки поднимается и корпус извлекается из установки.
2.5. Выводы к главе II
44
Согласно
материалу приведенному во
второй
главе данного
дипломного проекта можно сделать следующие выводы:
1. Для получения мощности в 300 Вт в диапазоне частот 13 ГГц ± 10%
при коэффициенте усиления не менее 25 дБ и рабочем напряжении 7 ÷ 8 кВ
наиболее
подходящей
является
спиральная
замедляющая
система,
конструкционные параметры которой будут рассчитаны в следующей главе.
2. Существует 3 варианта для выбора материала спирали: медь,
вольфрам и молибден. Наиболее подходящим по своим свойствам и
технологии навивки является молибден. Он допускает достаточно высокие
рабочие температуры и более пластичен, чем вольфрам.
3. Для осуществления эффективного теплоотвода и усиления
воздействия МПФС на электронный поток применяется конструкция корпуса
замедляющей системы без внутренней трубки. Такая система накладывает
более жесткие требования к ее конструкции.
4. Для осуществления эффективного теплоотвода применяются
керамические опоры (штабики) из оксида бериллия BeO прямоугольного
сечения.
5. Для предотвращения обратной связи, а следовательно перехода ЛБВ
в режим генерации, в ЗС наносится поглотитель.
6. Для
осуществления
эффективного
теплоотвода закрепление
спиральной системы осуществляется методом горячей посадки.
Глава 3. Численное моделирование ЗС
45
3.1 Расчет параметров замедляющей системы
При проектировании замедляющей системы большое значение имеет
достоверное определение таких электродинамических параметров систем как
коэффициент замедления n и сопротивление связи RСВ
рабочей полосе
В
частот. Это особенно важно в связи с тем, что данные параметры обычно
используются при анализе на ЭВМ процессов взаимодействия замедленной
электромагнитной волны с электронным потоком, и поэтому от точности их
определения во многом зависит результат проектирования ЛБВ.
Электродинамические параметры спиральной ЗС можно определить
экспериментально. Однако, такие измерения достаточно трудоемки, особенно
на
начальном
этапе
необходимостью
проектирования
изготовления
ЛБВ,
специальных
поскольку
макетов,
связаны
которых
с
может
оказаться достаточно много. Поэтому проблема возможности оперативного
определения
электродинамических
параметров
спиральных
ЗС
с
необходимой точностью с помощью компьютерных программ всегда остается
актуальной для разработчиков ЛБВ.
Известно, что величины замедления и сопротивления связи в широкополосной спиральной ЗС существенно зависят от многих факторов, а именно:
диаметра и шага спирали; диаметра внешнего экрана; количества, размеров и
материала диэлектрических стержней; а также формы и размеров элементов,
создающих продольную проводимость в системе.
В этой главе будет представлена следующая работа:
1) Оценка параметров ЗС на основе линейной теории ЛБВ
2) Компьютерный расчет параметров ЗС в программе WinHelix (на основе
решения дисперсионного уравнения спиральной ЗС)
3) Расчет выходных параметров ЛБВ по одномерной нелинейной
программе HelixTwt.
3.2 Линейный расчет основных конструктивных параметров ЗС
46
Вопросам разработки инженерного метода расчета усилительной ЛБВ
со спиральной замедляющей линией посвящено сравнительно большое число
работ. Все эти работы основаны на линейной теории взаимодействия
электронного потока с бегущей электромагнитной волной.
Проведем предварительный расчет конструктивных параметров спиральной
замедляющей системы ЛБВ. Формулы расчета получены на основе
аппроксимации основных результатов линейной теории, приведенной в книге
Кац А.М., Цейтлин М.Б. «Лампа с бегущей волной».
Исходные параметры, которым, согласно техническому заданию
дипломного проекта, должна отвечать замедляющая система мощной
спиральной ЛБВ:
Выходная мощность P = 300 Вт;
Диапазон частот 8÷18 ГГц;
Рабочее напряжение 7 ÷ 8 кВ;
Ток электронного пучка не более 0,5 А.
Расчет замедляющей системы проводится следующим образом:
1. Для начала определим значение ускоряющего напряжения, находящегося в
пределах диапазона, указанном в техническом задании.
U0 = 7500 В.
2. На основе использования экспериментальных данных, полученных ранее,
значение электронного КПД выбираем равным 15%
 = 0,15
Отсюда можно определить ток электронного пучка:
I
P
 U
47
I = 0.266 А
Полученное значение тока электронного пучка меньше 0,5, что
удовлетворяет требованиям технического задания.
3.
Определим
коэффициент
замедления
электромагнитной
волны
в
замедляющей системе n для средней частоты рабочего диапазона ЛБВ
f0 = 13 ГГц. Коэффициент замедления рассчитываем по формуле:
nзам  nэл  (1  bC ) , где
–
nэл
коэффициент
соответствующее
электрического
скорости
электрона
замедления,
в
пространстве
взаимодействия;
b – параметр несинхронности;
C – параметр усиления Пирса.
nэл 
505
U0 ,
nэл = 5.8312.
b
  ф
 фС , где ν – скорость электронов в свободном пространстве;
ν – фазовая скорость электромагнитной волны
в замедляющей системе.
nзам  5,8312  (1  0,095 
0,729
)
0,632 1,095
nзам = 6.35
4. Исходя из заданного диапазона частот, рассчитаем средний диаметр
спирали
α.
Диаметр
спирали
должен
обеспечивать
эффективное
взаимодействие замедленной электромагнитной волны с электронным
потоком в ЛБВ.
48
Известно, что коэффициент усиления и электронный КПД прибора
достигают
максимальной
величины,
когда
обобщенный
параметр
распространения электромагнитной волны в замедляющей системе находится
в пределах 1,0-1,5 единиц.
Известно, что квадрат фазовой постоянной распространения равен
сумме квадратов обобщенного параметра распространения электромагнитной
волны
в
замедляющей
системе
и
параметра
распространения
электромагнитной волны в свободном пространстве.
 2   2   2 , где
2  f  nзам
— фазовая постоянная распространения
зам
300
C 2


f 0 0 — параметр распространения электромагнитной волны

2

в свободном пространстве.
с- скорость света
( а) 2  (а) 2  (а) 2
а  300
а
f 0 n 2  1
Как уже говорилось ранее оптимальное значение обобщенного
параметра распространения электромагнитной волны для средней частоты
рабочего диапазона в замедляющей системе γa должно находиться в области
от 1,0 до 1,5. В нашем случае примем параметр γa = 1,2. Следовательно,
средний диаметр спирали конструируемой ЛБВ будет равен α = 1,68
5. Диаметр пролетного канала d будет равен
d = α –2 t, где t – толщина спирали проводника в мм. t = 0.2
Следовательно d = 1.28 мм
49
6. Рассчитаем параметр пространственного заряда g и параметра усиления С.
Для этого необходимо ввести вспомогательные переменные m и n. Они
определяются по следующим графикам:
1.4
1.4
1.2
Ms( zz)
1
0.8
0.75
0.6
0.2
0.4
0.6
0.2
zz
0.8
0.8
5
5
4.5
Ms1( zz)
4
3.5
3.12
3
0.2
0.4
0.6
0.2
zz
0.8
Рис. 3.1. Кривые для определения вспомогательных параметров т и п в зависимости
от b/a, что эквивалентно коэффициенту заполнения k.
Выберем вспомогательные параметры m и n, с учетом того, что
коэффициент
заполнения
производстве
принято
k
за
считать
годы
проектирования
оптимальным
при
ЛБВ
значении
на
0,5.
Соответственно вспомогательная величина m = 1.27, а n = 3.24.
50
1
3
5.62  p
0 3
g
(
)
k    m 2  (n   ) 2  ф
1
0
k 1/ 2
 1  0,095

ф

p  106 I 0U 03 / 2
, где р микропервианс
 0 13
С  0.04  m  (n   )  p  ( )
ф
1
3
p = 0.411
g = 1.347
C = 0.080
7. Найдем параметр несинхронности
b
1 0
 (  1)
C ф
b = 1.114
8. Сопротивление связи в замедляющей системе
K св  0.5  m3  (n   ) 3  nзам
Ксв = 56.393
9. Параметр погонного усиления B1
 0  47.3  2.45  g  18.8  ln( 1  g )
χ0 = 34.561
51
 2  0.33  0.62  g  0.05  g 2
χ2 = 1.074
B1   0  (1   2  C )
B1 = 37.525
10. Длина замедляющей системы l
Величина вносимых в замедляющую систему потерь D (дБ) и длину
локального поглотителя l2
D = 40 дБ
l2 = 30 мм.
Найдем
коэффициент,
характеризующий
уменьшение
усиления,
обусловленное локальным поглотителем
A1  (7  9.4  d 2 )  C  12  f 
nзам
300
А1 = 17.285
l
(  10  A1  8)  300
B1  C  f  nзам
l = 66.139
11. Шаг спирали
Для того чтобы найти шаг спирали необходимо ввести в расчет
диаметр экрана замедляющей системы, который обусловлен диаметром
спирали замедляющей системы и высотой опор на которые закрепляется эта
спираль.
dэкр = 4.2 мм.
52
Диэлектрическая
керамические
опоры
постоянная
выполняются
керамических
из
оксида
опор.
бериллия
Поскольку
BeO
их
диэлектрическая постоянная равна
ε1 = 6.5
Площадь поперечного сечения опор: s1 = 26.424
Эквивалентная диэлектрическая проницаемость ε2
2  1  3  s 
1  1
s1  3  s
ε2 = 2.090
h  2   
d
nэл  1
2
h = 0.9
12. Геометрическое замедление
В грубом приближении, без учета дисперсии (зависимость
фазовой скорости от частоты), влияния экрана и диэлектрических опор
замедление в спирали можно рассчитать, учитывая только геометрические
размеры самой спирали:
nгеом = 1/cosФ
, где Ф – угол наклона витков спирали к продольной оси z. Эту
формулу можно переписать через a и h, где a – радиус спирали, h – шаг
спирали:
Возьмем измеренные геометрические параметры спирали, полученные
раннее:
53
a(радиус спирали) = 0,84 мм и h = 0,9 мм, подставим их в формулу для
nгеом. Получим nгеом = 6,084
На самом деле nгеом
не совпадает с реальным замедлением.
Чтобы получить значение n, близкое к реальным, надо воспользоваться
поправкой:
n = nгеом * 1,2
Получим n = 7,3 –это значение замедления, которое в
дальнейшем будет проверено и подтверждено в программе WinHelix .
13 Коэффициент замедления для свободной спирали с учетом дисперсии
Так же приближенный коэффициент замедления для свободной спирали (без
учета влияния диэлектрических опор и экрана ), но с учетом дисперсии можно

рассчитать по формуле: n  1.09 
2   a
 h
 0.32


2   a 

Подставляя сюда наши значения радиуса, шага спирали в заданном диапазоне
частот получим (таблица 3.1):
Частота(ГГц)
9
10
11
12
13
14
15
16
17
Замедление
4.305
4.583
4.761
4.909
5.035
5.142
5.236
5.317
5.389
18
5.453
Эти значения n совпали со значениями, полученными с помощью расчета в
программе WinHelix для свободной спирали.
54
Рис 3.2 Зависимость коэффициента замедления n для свободной спирали от
частоты, рассчитанное на основе линейной теории в Mathcad и на основе
дисперсионного уравнения в WinHelix.
14 Нахождение волнового сопротивления спирали с экраном и тремя
диэллектрическими опорами
n  6.35
ý  2.090
a  1.2
b  3.434
M0( a ) 
K0( a )
I0( a )
M1( a ) 
K1( a )
I1( a )
M0( b ) 
K0( b )
I0( b )
M1( b ) 
K1( b )
I1( b )
2 ( M0( a )  M0( b ) )  ( M0( a )  M1( a ) )
Z  60 n ( I0( a ) ) 
M0( a )  ý  M1( a )  M0( b )  ( ý  1)
Z  92.913
3.3 Результаты первоначального расчета основных конструкционных
параметров ЗС
По результатам расчета были получены следующие конструкционные
параметры мощной спиральной ЛБВ:
55
Средний диаметр спирали
1,68 мм
Диаметр пролетного канала
1,28 мм
Длина замедляющей системы
66,139 мм
Диаметр экрана замедляющей системы
4,2 мм
Шаг спирали
0.9 мм
Ширина проволоки спирали
0,2 мм
Ток электронного пучка
0,266 А
Коэффициент замедления
6,35
Пространственный заряд
1,444
Параметр усиления
0,080
Параметр несинхронности
1,114
Сопротивление связи
Волновое сопротивление
56.393 Ом
92,913
56
3.4 Численное
проектирование ЗС для ЛБВ
в программе WinHelix.
XXI век – это век развития информационных технологий, связанный с ростом
скоростей и производительности электронных схем, увеличения объема
памяти на носителях и.т.д. С развитием вычислительных мощностей
появилась возможность заранее определить выходные параметры еще не
существующего
прибора.
Теоретический
расчет
дает
приближенный
результат, так как учесть все процессы, происходящие в приборе попросту
невозможно в силу требования высоких вычислительных мощностей, либо
неточности в самой теории (расхождение). Поэтому использование расчетных
программ – это еще один инструмент в руках экспериментатора –
разработчика.
Методика расчета дисперсионных характеристик.
Расчет зависимости коэффициента замедления и сопротивления связи
от частоты для выбранной мной конструкции замедляющей системы
программа WinHelix проводит в рамках модели спирально - проводящего
цилиндра на основе решения дисперсионного уравнения спиральной ЗС.
Вывод дисперсионного уравнения с учетом диэлектрических опор и
геометрии металлических ребер, создающих продольную проводимость для
спиральной ЗС дан в работе Л.Н. Лошакова и Ю.Н. Пчельникова . Однако в
этих работах профиль и размеры проводника спирали не учитывались.
Поскольку в большинстве случаев для изготовления спиральных ЗС мощных
ЛБВ применяется проводник с эллиптическим поперечным сечением, то учет
его профиля и размеров можно провести, используя, так называемые,
усредненные граничные условия. Такие условия, введенные
Л.А. Вайнштейном, позволяют вместо решения сложной граничной задачи на
проводниках вводить эквивалентные условия на некоторой гладкой
поверхности.
57
В случае использования спирали, изготовленной из проводника
эллиптического сечения с внутренним радиусом a, можно осуществить
переход к спирали из бесконечно тонкой ленты, используя конформные
отображения. В этом случае эквивалентная ширина бесконечно тонкой ленты
t определяется из решения следующего уравнения




u
1
2 v


f (t )  2 1   arccos h 
0
t

 cos   t   h cos Ф



 h cos Ф  

,
(1)
где h, Ф – шаг и угол намотки спирали, соответственно; 2u и 2v – толщина и
ширина эллиптического проводника спирали.
Характеристики спиральных ЗС в металлическом экране с
диэлектрическими стержнями, обычно рассчитывают приближенными
методами на основе замены реального диэлектрика эквивалентной
диэлектрической трубкой, относительная диэлектрическая проницаемость
которой определяется как
 эфф  1    1
S0
S,
(2)
где S – площадь поперечного сечения области между спиралью и
экранирующей поверхностью, S0 – площадь поперечного сечения, занимаемая
диэлектрическими опорами,  – относительная проницаемость
диэлектрических стержней, используемых в ЗС.
В результате эквивалентных замен осуществлен переход от
конструкции ЗС с металлокерамическими опорами к эквивалентной системе,
в которой пространство между спиралью и экраном заполнено однородным
диэлектриком с проницаемостью эфф. Поперечное сечение эквивалентной ЗС
разбивается на три области: область внутри спирали (ra), в которой
диэлектрик отсутствует =1; область между спиралью и элементами
продольной проводимости (arR) с диэлектриком, имеющем =эфф; область
58
между элементами продольной проводимости и экраном (Rrd) с
диэлектриком, имеющем =эфф.
Используя процедуру сшивания полей на границах областей
эквивалентной системы в рамках модели спирально-проводящего цилиндра ,
записывается дисперсионное уравнение для рассматриваемой системы
1
t 

( ka) 2 I 1 (a ) K 1 (a )  tg Ф ln sin
2
h 

ctg 2 Ф
1
t 

(a ) 2 I 0 (a ) K 0 (a )  tg Ф ln sin
2h 


I 1 (a ) K 1 (d ) 
1 

K 1 (a ) I 1 (d ) 



I 0 (a ) K 0 (R ) 
1 

K 0 (a ) I 0 (R ) 



I 1 (a ) K 0 (d )  
I (a ) K 1 (d )  
( эфф  1)  ctg 2 Ф  ( ka) 2 I 1 (a ) K 12 (a )  1  1


 1 
K
(

a
)
I
(

d
)
K 1 (a ) I 0 (d )  
1
1


 1 



I (a ) K 0 (d ) 


a  K 0 (a )  1  0

K 0 (a ) I 0 (d ) 



1

1
t 

1  4 tg Ф  ln cos
(a ) 2  I 0 (a ) K 0 (a )
2h 


1 0
1
t 

2
1  4 tg Ф  ln cos
(

a
)

I
(

a
)
K
(

a
)
1
1
2h 

(3)
где I0, I1, K0, K1 - модифицированные функции Бесселя первого и второго рода
нулевого и первого порядка, соответственно;
k
2
 – волновое число.
Дисперсионное уравнение (3) относительно поперечной постоянной
распространения (a) решается численно на ЭВМ. Найденное значение
поперечной постоянной распространения позволяет рассчитать замедление
рассматриваемой системы.
Величина сопротивления связи, характеризующая эффективность
взаимодействия электронного потока с электромагнитным полем
замедляющей системы, для свободной спирали определяется следующим
выражением
0
Rсв

E02
2 2 P

120
3
  ka  2 
  F0 (a )
ka  1  
  a  
где
F0 (a) 
2
,
I 0 (a)  I1 (a) I 0 (a) K 0 (a) K1 (a) 4 



 

K 0 (a)  I 0 (a) I1 (a) K1 (a) K 0 (a) a 
(4)
.
59
Влияние металлического экрана с продольно-проводящими ребрами и
диэлектрических опор учитывается введением коэффициента ,
связывающего сопротивление связи рассматриваемой замедляющей системы
и сопротивление связи свободной спирали
Rсв  Rсв0  
.
Выражение для определения коэффициента , полученное в [2] имеет
следующий вид
1

1
I 0 (a) K 0 (d )
K 0 (a) I 0 (d )

I 0 (a) K 0 (a)  I 0 (d ) K 0 (d )
I 1 (R) K 1 (R)  I 1 (a) K 1 (a)
1 



aF0 (a)  I 0 (d ) K 0 (d )K 0 (a) I 0 (d )  I 0 (a) K 0 (d ) I 1 (R) K 1 (R)K 1 (a) I 1 (R)  I 1 (a) K 1 (R)
Описание программы
В своем проекте я воспользовался такой программой, которая была
разработана Хриткиным С.А. Название этой программы – WinHelix, слово
Helix в переводе с английского означает “Спираль”, а приставка Win значит,
что эта программа работает под операционную систему Windows. Версия
WinHelix 1.0.0 означает законченную (полную) программу. В качестве
замедляющей системы программа использует спираль, отсюда и название ее.
Сведения о программе WinHelix 1.0.0 представлены на рис.3.3
60
Рис.3.3 Сведения о программе WinHelix.
Программа WinHelix оснащена удобным и вполне понятным интерфейсом,
который показан на рис.IV.2.
Рис.3.4. Интерфейс программы WinHelix.
При работе с ней не возникает таких вопросов, как рассчитать, выбирать ,
куда нажимать и что это значит, так как все подписано и расшифровано.
Режим работы программы является оконным, что характерно для многих
программ, работающих под Windows (это дает гибкость в работе, т.е. вы
можете параллельно загружать и работать с другими программами).
Далее приведено описание ее главного меню, кнопок, вкладок и вывод
результатов, как в графическом, так и в текстовом варианте:
Главное меню содержит три кнопки: Файл, Графики, Справка. Кнопка Файл
содержит: Открыть, Сохранить, Выход.
Кнопка “Графики” содержит графическое изображение пяти графиков:
61
1) Коэффициент замедления (зависимость от частоты).
2) Сопротивление связи на поверхности спирали (зависимость от частоты).
3) Сопротивление связи усредненное (зависимость от частоты).
4) Волновое сопротивление (зависимость от частоты).
5) Затухание (зависимость от частоты).
Для моего проекта интерес представляют первые три графика, так как с ними
связан мой численный расчет.
В кнопке “Справка” находится кнопка “О программе”, которая
предоставляет краткие сведения о самой WinHelix и об ее авторах.
Ниже
главного
меню
установлены
пять
кнопок:
“Открыть”,
“Сохранить”, “Рассчитать”, “О программе”, “Выход”. Это сделано для еще
большего удобства и скорости работы с программой.
Ниже, слева от пяти кнопок, находятся два вкладыша: “Общие”,
“Геометрия”. “Геометрия” включает в себя восемь пунктов входных данных,
которые относятся к конструктивным параметрам замедляющей системы:
1) Средний радиус спирали (в моем случае равен 0,168 см).
2) Шаг спирали (в моем случае равен 0,09 см).
3) Коэффициент заполнения (в моем случае равен 0,45).
4) Радиус сплошного экрана (в моем случае равен 0,42 см).
5) Радиус продольно проводящего экрана.
6) Количество диэлектрических опор (в моем случае 3 штуки).
7) Угловой размер опоры (в моем случае равен 40°).
8) Диаметр провода спирали (в моем случае равен 0,02 см).
На рис. показаны почти все геометрические элементы, которые надо
вводить во вкладыш “Геометрия”. Отсутствует только коэффициент
заполнения (3), так как он является отношением: радиус электронного пучка
делим на средний радиус спирали. Диапазон коэффициента заполнения равен
62
0,4…0,6. На рис.IV.3. рассмотрена замедляющая система, которая участвовала
в моем эксперименте.
Рис.3.5. Основные геометрические параметры ЗС.
1-Средний радиус спирали; 2-Шаг спирали; 3-Радиус электронного пучка; 4- Радиус
сплошного экрана; 5-Радиус продольно проводящего экрана; 6-Диэлектрические опоры(3
штуки); 7-Угловой размер опоры; 8-Диаметр провода спирали.
Вкладыш “Общие” включает в себя четыре раздела: “Тип замедляющей
системы”, “Материал спирали и экрана”, “Материал диэлектрических опор”,
“Границы частотного диапазона”. В первых трех разделах нам предлагают
выбрать данные из списка, а в четвертом их надо ввести. Эти разделы можно
отнести к обобщенным данным о высокочастотном блоке.
Раздел “Тип замедляющей ситемы” предлагает нам выбор из семи
пунктов:
1) Свободная спираль.
2) Спираль + Экран.
63
3) Спираль + Экран + Опоры.
4) Спираль + Продольно Проводящий Экран (ППЭ).
5) Спираль + ППЭ + Опоры.
6) Спираль + Экран + ППЭ.
7) Спираль
+
Экран
+
ППЭ
+
Опоры.
Рис.3.6 Семь типов замедляющих систем (в поперечном сечение).
Расчет программой велся относительно третьего пункта(Спираль + Экран +
Опоры), чтобы сравнить результаты с линейным расчетом.
Раздел “Материал спирали и экрана” разделен на два пункта: “Спираль”
и “Экран”. В пункте “Спираль” надо выбрать материал спирали:
1) Молибден.
2) Вольфрам.
3) Медь.
64
4) Никель.
5) Серебро.
6) Золото.
В пункте “Экран” предлагают выбор материала экрана. Выбор материала
спирали и экрана совпадают с 1) по 6). Для моей спирали и моего экрана был
выбран материал Молибден.
Раздел “Материал диэлектрических опор” предлагает выбор из пяти
пунктов:
1) Кварц.
2) Керамика 22XC9.
3) Бериллиевая керамика.
4) Нитрид бора.
5) Алмаз.
В моем эксперименте в качестве материала опор была выбрана Бериллиевая
керамика (3).
Раздел “Границы частотного диапазона” предлагает ввести дипазон
частот в ГГц. В нем содержатся три ячейки:
1) Нижняя (в моем случае 8 ГГц).
2) Верхняя (в моем случае 18 ГГц).
3) Шаг расчета по частоте (в моем случае 0,5 ГГц).
Ниже двух вкладышей находится табличка с результатами расчета.
Показана на рис..
Рис.3.7 Таблица вывода результатов.
65
Справа от вкладышей расположен график, который можно выбрать в
главном меню программы. Далее перейдем непосредственно к расчету
электродинамических параметров замедляющей системы.
Расчет электродинамических параметров ЗС.
После ввода входных параметров ВЧ блока и нажатия кнопки
“Рассчитать”, на выходе получим результат, представленный как в текстовом
варианте, так и в графическом. Результат расчета программой представлен в
таблице 3.2
Табл.3.2. Данные, полученные в результате расчета программой (WinHelix).
Частота(ГГц) Замедление Rсв на пов.(Ом) Rсв пучка(Ом) Затухание(дБ/м) Волн.сопр.(Ом)
8
6,174
140,953
102,8767
14,8717
122,56008
9
6,28295
131,5221
87,5154
16,6633
114,77504
10
6,37757
122,0585
73,3538
18,4538
107,50304
11
6,45766
113,3387
60,7775
20,239
100,81395
12
6,52371
105,0717
49,9447
22,0201
94,7298
13
6,57679
97,5336
40,8266
23,8014
89,23542
14
6,6183
90,7545
33,2766
25,5885
84,2921
15
6,64979
84,7093
27,0928
27,3868
79,8493
16
6,67275
79,3418
22,0622
29,2008
75,85313
17
6,69738
73,8617
18,656
31,8661
71.54530
18
6,71912
68,7084
15,7086
33,4018
68,44419
По данным табл.3.2. строятся пять графиков от частоты.
66
Рис.3.8. Зависимость коэффициента замедления от частоты.
Рис.3.9 Зависимость сопротивления связи (на поверх. спирали) от частоты.
67
Рис.3.10 Зависимость сопротивления связи (усредненное по сечению эл. потока) от
частоты.
Рис.3.11 Зависимость волнового сопротивления от частоты.
68
Рис.3.12 Зависимость затухания от частоты.
3.5 Сравнение линейного расчета ЗС с расчетом в программе
WinHelix
А теперь сравним электродинамические параметры, полученные в
главе 3.2 с параметрами, полученными в ходе компьютерного
проектирования в главе 3.4.
Компьютерный расчет показал, что в рассмотренной замедляющей
системе имеет место положительная дисперсия. Коэффициент замедления n,
рассчитанный с помощью линейной теории в главе 3.2 был равен 6,35 на
частоте 13 ГГц, что на 3,5 % меньше результата, полученного в программе
WinHelix (n=6,57). Такое отклонение незначительно и находится в пределах
нормы.
Линейный расчет волнового сопротивления дал результат Z=92,913 (Ом)
на частоте 13 ГГц, тогда как расчет в программе WinHelix показал результат
Z=89,23 (Ом). То есть отклонение этих значений друг от друга составило 3%,
что тоже в пределах нормы.
Отклонение сопротивления связи составило 26%. Видно, что
отклонение существенно, это связано с неточностью расчета сопротивления
69
связи в линейной теории, а так же с тем, что этот параметр сильно изменяет
свое значение от оси системы к поверхности спирали.
3.6 Расчет выходных параметров ЛБВ в программе HelixTwt
Полученные расчетные значения электродинамических параметров
были использованы при проектировании с помощью программы “HelixTwt”
пространства взаимодействия, т.е. определения распределения шага спирали,
затухания локальных поглотителей и длин отдельных секций, при котором
обеспечиваются заданные техническим заданием основные выходные
параметры
ЛБВ,
т.е.
выходная
мощность,
коэффициент
усиления,
электронный кпд. Эта программа была разработана на предприятии
Хриткиным С.А. и Азовым Г.А. Учитывая, что разрабатываемая ЛБВ должна
иметь коэффициент усиления в линейном режиме более 25 дБ, замедляющую
систему по длине предполагается разбить на две секции (с одним локальным
поглотителем) для того, чтобы исключить возможность возбуждения ЛБВ.
Результаты проектирования, т.е. распределения на средней частоте
вдоль длины замедляющей системы электронного кпд, тока электронного
пучка, коэффициента усиления, распределенного затухания, разности фаз
высокочастотного поля, приведенные на рис 3.14-3.19, были использованы
для конструирования пространства взаимодействия. В соответствии с
полученными результатами были приняты следующие величины длин секций
замедляющей системы:
Входная секция
Поглотитель
Выходная секция
Общая длина замедляющей системы
20 мм
40 мм
50 мм
110 мм
70
Исходные данные для расчета в программе:
-Ток электронного пучка (0.26А)
-Ускоряющее (7500В)
-Опорная частота (13ГГц)
-Низкочастотная граница диапазона (10 ГГц)
-Высокочастотная граница диапазона (18ГГц)
-Длина системы (6.6см)
-Радиус канала (0.062см)
-Коэффициент заполнения (0.43)
-Радиус сплошного экрана (0.22см)
-Ширина проводящей спирали (0.023см)
-Толщина проводящей спирали (0.017см)
-Высота ребер экрана (0.1см)
- Количество диэлектрических опор (3)
-Диэлектрическая проницаемость опор (6.4)
-Высота диэл. опоры (0.13см)
-Ширина диэл. опоры (0.06см)
-Общая ширина опоры (0.18см)
-Шаг спирали (0.09см)
По этим данным программа строит модель замедляющей системы в
поперечном сечении (рис 3.13).
71
Рис 3.13 Поперечное сечение ЗС
Полученные выходные параметры ЛБВ в виде графиков:
Рис. 3.14 Распределение затухания по длине ЗС
72
Рис. 3.15 Зависимость коэффициента усиления от участка ЗС
Рис 3.16 КПД
73
Рис. 3.17 Распределение мощности по длине системы
Рис.3.18 Зависимость разности фаз ВЧ поля и электронного пучка от длины системы
74
Рис. 3.19. Зависимость тока электронного пучка от длины системы
Из полученных результатов проектирования видно, что на выходе,
выбранной спиральной замедляющей системы, будет обеспечиваться
мощность 368 Вт при коэффициенте усиления 26 Дб и токе пучка 0.42 А, что
удовлетворяет условию технического задания. КПД составил 19%.
Следовательно, электрический режим и основные параметры соответствуют
требованиям технического задания.
75
ГЛАВА IV . Экономическая часть
4.1. Расчёт себестоимости изделия
В себестоимость опытного образца включается:
 Стоимость основных материалов, полуфабрикатов и покупных изделий,
 Основная зарплата исполнителей,
 Дополнительная зарплата,
 Отчисления на социальные нужды,
 Накладные расходы
1. Затраты на материалы и комплектующие изделия составляют 95177
рублей без НДС.
2. Расходы на оплату труда изготовителей.
РОТ = 63721 руб.
З. Затраты на дополнительную заработную плату составляют:
ДЗП = 6673 руб.
4. Просуммируем значения основной и дополнительной заработной
платы, определим фонд оплаты труда:
ФОТ =63721 +6673 = 70394 руб.
5. Единый социальный налог установлен в размере 26% от суммы оплаты
труда в соответствии с Налоговым Кодексом РФ ч.2 гл.24
ЕСН = 20500 руб.
6. Страховой тариф на обязательное страхование от несчастных случаев
на производстве и профессиональных заболеваний 0,2% от суммы оплаты
труда. Взимается на основании постановления Правительства РФ от
21.12.2000 №996 «О внесении изменений и дополнений в правила отнесения
отраслей экономики профессионального риска»
Страховой тариф=19139*0,002=38,28 руб.
7. Накладные расходы составляют 210,19% от основной заработной
платы.
Накладные расходы = 130322 руб
Прибыль составляет 25% от себестоимости: 732265* 0,25 =
213382 руб.
Налогом на добавленную стоимость (НДС) не облагается, так как
источником финансирования является госбюджет (статья 149 пункт 3
подпункт 16 Налогового Кодекса РФ).
Таким образом, цена широкополосной ЛБВ составит 1057761 руб.
76
№№
Наименование статей
п/п
Затраты на единицу в рублях
по предложению
предприятия
1.
Основные материалы
11074
2.
Комплектующие
изделия
82996
3.
Вспомогательные
материалы
1107
4.
ФОТ
5.
Дополнительная
зарплата
6.
Единый социальный
налог
7.
Содержание
оборудования
150256
8.
Цеховые расходы
239368
9.
Общезаводские
расходы
149897
СЕБЕСТОИМОСТЬ
732265
Таблица 4.1.
принятые
ВП 457
70394
6673
20500
Структура цены.
77
Глава V. Безопасность жизнедеятельности.
5.1. Оценка возможных опасных и вредных производственных
факторов.
В процессе трудовой деятельности при нарушении безопасных условий
труда на человека могут воздействовать, как известно, опасные и вредные
производственные факторы.
Охрана
труда
-
система
законодательных
актов,
социально-
экономических, организационных, технических, гигиенических и лечебнопрофилактических
мероприятий
и
средств,
которые
обеспечивают
безопасность, сохранение здоровья и работоспособности человека в процессе
труда.
Опасный
производственный
фактор
-
производственный
фактор,
воздействие которого на работающего приводит к травме или другому
внезапному резкому ухудшению здоровья. К резкому ухудшению здоровья
можно отнести отравление, облучение, тепловой удар и др.
Вредный
производственный
фактор
-
производственный
фактор,
воздействие которого на работающего приводит к заболеванию или
снижению
работоспособности.
В
зависимости
от
уровня
и
продолжительности воздействия вредный производственный фактор может
стать опасным.
При проектировании и организации работы в вычислительных центрах
(ВЦ) необходимо учитывать опасные и вредные факторы. Из опасных
факторов
внимание
следует
обращать
на
электроопасность
и
пожароопасность. Также надо обращать внимание на такие вредные факторы,
как повышенный уровень шума и вибрация, повышенная или пониженная
температура внешней среды, отсутствие или недостаток естественного света,
недостаточная освещенность рабочей зоны, статическое электричество,
ионизирующее
излучение,
ионизация
воздуха,
электромагнитные,
78
электростатические и переменные магнитные поля, микроклиматические
параметры и чистота воздуха.
Электроопасность. Электрические установки, к которым относится почти
все оборудование ЭВМ, представляют для человека большую потенциальную
опасность,
так
как
в
процессе
эксплуатации
или
проведения
профилактических работ человек может коснуться частей, находящихся под
напряжением. Специфическая опасность электроустановок: токоведущие
проводники, корпуса стоек ЭВМ и прочего оборудования, оказавшегося под
напряжением в результате пробоя изоляции, не подают каких-либо сигналов,
которые предупреждали бы человека об опасности. Реакция человека на
электрический ток возникает лишь при протекании последнего через тело
человека.
Проходя через тело человека, электрический ток оказывает на него
сложное
воздействие,
вызывая
термическое,
электролитическое,
механическое и биологическое действие. Термическое действие тока
проявляется в ожогах отдельных участков тела, нагреве тканей и
биологических сред, что вызывает в них биологические расстройства.
Электролитическое действие тока выражается в разложении органической
жидкости, крови и проявляется в изменении их физико-химического состава.
Механическое действие тока приводит к разрыву мышечных тканей.
Биологическое действие тока выражается в способности раздражать и
возбуждать живые ткани организма.
Любое из перечисленных воздействий тока может привести к
электрической травме, вызванной воздействием электрического тока или
электрической дуги (ГОСТ 12.1.009-76).
Опасность поражения электрическим током зависит от ряда факторов:
величина и частота тока, время воздействия, пути прохождения тока через
организм, индивидуальных особенностей человека (физическое развитие,
масса тела, возраст и пр.). В результате воздействия электрического тока
возможны ожоги, нарушение дыхания и кровообращения, механические
79
повреждения (ушибы, переломы) и др.. Нарушение сердечной деятельности
может привести к смерти.
Пожароопасность. В современных ЭВМ высокая плотность размещения
элементов электронных схем, близость друг к другу соединительных
проводов,
коммутационных
кабелей
представляют
серьезную
пожароопасность. Источником пожара может быть короткое замыкание,
искрение или, например, чрезмерный нагрев.
Опасность при пожаре представляют: токсичные продукты горения,
выделяемые горящими материалами и предметами (теплоизоляционные,
акустические, декоративные и другие синтетические отделочные материалы ),
воздействие огня и высокие температуры.
Воздействие этих факторов на человека может привести к отравлению,
тепловым ударам, ожогам различной степени и смерти.
Шум и вибрация. Для рабочих мест ВЦ характерно наличие всех видов
шумов: механического, аэродинамического, электрического. Технические
средства
создают
компрессоры
-
механический
шум,
аэродинамический,
установки
кондиционирования,
преобразователи
напряжения
-
электромагнитный.
Проявление вредного воздействия шума на организм человека
разнообразно:
затруднение
разборчивости
речи,
снижение
работоспособности, обратимые и необратимые потери слуха, механическое
повреждение органов слуха, воздействие на центральную и вегетативную
нервную системы (через них на внутренние органы). Может вызвать
головную боль, бессонницу, ослабление внимания, ухудшение памяти.
Вибрации также могут неблагоприятно действовать на организм
человека. Они могут быть причиной функциональных расстройств нервной и
сердечно-сосудистой систем (спазмы сосудов), а также опорно-двигательного
аппарата. Они также могут быть причиной головных болей, головокружений,
повышенной
утомляемости.
Возможно
также
ухудшение
состояния
желудочно-кишечного тракта, головного и спинного мозга.
80
Вибрации способны оказывать действия на все органы. Особо вредными
считаются колебания с частотой 6-9 Гц, близкой к частоте колебаний тела
человека. При вибрациях таких частот возникает вредный резонанс, который
увеличивает колебания внутренних органов, расширяя их или сужая.
Ионизирующее излучение. Экран монитора представляет собой источник
бета- и гамма- рентгеновского излучений. Эти излучения являются
ионизирующими. При
воздействии на человека они могут вызвать
образование в организме чужеродных молекул белка с токсическими
свойствами. При длительном воздействии ионизирующее излучение может
привести к малокровию, образованию злокачественных опухолей. Возможно
снижение сопротивляемости организма к инфекционным заболеваниям и
другие неблагоприятные эффекты.
При работе за дисплеем особенно подвергаются облучению кожа лица,
глаза, головной мозг и кровь. Чрезмерная ионизация воздуха также может
негативно влиять на человека.
Электромагнитные, электростатические и переменные магнитные поля.
Низкочастотные электромагнитные поля возбуждает отклоняющая
система электронно-лучевой трубки монитора. Источник электростатического
поля - прежде всего экран монитора и система формирования электронного
луча ЭЛТ.
Переменные магнитные поля образует трансформатор развертки
монитора, трансформаторы блоков питания и другие вспомогательные
устройства.
Поглощаемая
тканями
энергия
электромагнитного
поля
превращается в теплоту. Если механизм терморегуляции тела не способен
рассеять избыточное тепло, происходит повышение температуры тела.
Перегревание органов и тканей ведет к их заболеваниям. Электромагнитные
поля могут влиять и непосредственно на клетки, приводя к изменению
происходящих в них процессов. Особенно болезненно могут реагировать на
электромагнитное поле клетки глаз, мозга, почек, желудка.
81
Отрицательное воздействие электромагнитных полей вызывает обратимые и
необратимые изменения в организме: торможение рефлексов, понижение
кровяного давления, выпадение волос, ломкость ногтей.
Электростатические поля могут вызвать вторичную электризацию
человеческого организма. Это вредное явление способствует развитию
дерматита, появлению угрей. Низковольтный разряд способен прекратить
клеточное развитие, вызвать помутнение хрусталика. Воздействие магнитных
полей на человека может приводить к нарушениям в нервной системе,
пищевом тракте, сердечно-сосудистой системе, изменениям в составе крови.
Отсутствие или недостаток естественного света и недостаточная или
неправильная освещенность рабочей зоны. Освещенность помещения ВЦ
создается
естественными
и/или
искусственными
источниками
света.
Недостаток освещенности или неправильная освещенность рабочей зоны, как
отсутствие или недостаток естественного света приводят к вредным
воздействиям на органы зрения и психику человека.
В результате снижается работоспособность, происходит отрицательное
психологическое воздействие, длительная адаптация зрения, что приводит к
снижению производительности труда.
5.2. Охрана труда при реализации дипломного проекта.
Нормализация микроклимата.
Оптимальными параметрами температуры при почти неподвижном
воздухе являются 19-21 оС, допустимыми - 18 или 22 оС.
Комфортное состояние при данных температурах воздуха определяется
влагосодержанием. Оптимальное влагосодержание составляет 10 г/м3,
допустимое - не ниже 6 г/м3(См. табл. V.1.)
Темп-ра
В Со
18
Влажность
Абсолютная, г/м
Оптимальная
Оптимальная
10
6
3
Относительная, г/м3
допустимая
допустимая
65
39
82
19
20
21
22
10
10
10
10
6
6
6
6
62
58
55
52
37
35
33
31
Табл. 5.1 Содержание абсолютной и относительной влажности воздуха в зависимости
от температуры.
Для обеспечения надлежащего микроклимата и качественного состава
воздуха,
включая
аэронный
предусматривались
режим,
в
котором
исследованиями
не
компьютеры, а их оборудование осуществлялось в
других помещениях, необходимо систематически перед началом работы и с
периодичностью 45 минут осуществлять проветривание не менее 10 минут.
Наилучший
обмен
воздуха
осуществляется
при
сквозном
проветривании, если позволяют погодные условия, то работа за компьютером
должна производиться при открытых окнах.
Другой путь обеспечения воздухообмена может быть достигнут
установлением в оконных рамах автономных кондиционеров.
Режим
возможное
работы
кондиционера
поступление
наружного
должен
обеспечить
воздуха,
но
не
максимально
менее
50%
от
производительности кондиционера.
В каждом конкретном случае необходим расчет воздухообмена по
количеству избытков тепла от машин, людей и солнечной радиации.
Для повышения влажности воздуха можно использовать увлажнители
или устанавливать емкости с водой типа аквариумов вблизи отопительных
приборов.
В целях исключения влияния на микроклимат солнечной радиации и
создания равномерного естественного освещения необходимо предусмотреть
для
окон
солнцезащитные
регулируемые
устройства
типа
жалюзи,
расположенные снаружи или в межстекольном пространстве.
83
Освещение.
На уровень освещенности помещения оказывает влияние цветовая
отделка интерьера и оборудования, их ограждающая способность.
Для уменьшения поглощения света потолок и стены выше 1.5-1.7 м,
если они не облицованы звукопоглощающим материалом, окрашиваются
белой водоэмульсионной краской ( должен быть не менее 0.7). Допускается
окраска стен до потолка цветом панелей. Для окраски стен и панелей
рекомендуется применять светлые тона красок ( = 0.5-0.6). Предпочтение
следует отдавать холодным тонам: светло-голубому, светло-зеленому, светлосерому. Допускается окраска стен светло-желтым, светло бежевым цветом или
цветом слоновой кости.
Нельзя окрашивать стены, расположенные напротив экрана монитора,
более темными тонами красок ( = 0.3-0.4).
На окнах монтируются занавеси, по цвету гармонирующие с краской
стен. Занавеси не должны пропускать естественный свет и не полностью
закрывать оконные проемы. Запрещается применять для окон черные
занавеси.
В осветительных установках помещения следует использовать систему
общего
освещения,
выполненную
потолочными
или
подвесными
люминесцентными светильниками, равномерно размещенными по потолку
рядами, параллельно проемам света, так, чтобы экран монитора находился в
зоне защитного угла светильника, и его проекция не приходилась на экран
монитора.
Оператор не должен видеть отражение светильников на экране ЭВМ.
Применять местное освещение при работе на ЭВМ не рекомендуется.
Минимальная освещенность рабочей поверхности стола должна быть 100-500
лк. См. табл. 5.2
4
1
2
3
5
7
6
8
9
10
84
А
2000
500
1500
300
От 0,3
Б
1000
300
750
200
Высокая
точность
До 0,5
В
750
300
600
200
Г
400
200
400
150
А
750
300
600
200
От 0,5
Б
500
200
500
150
Средняя
точность
до 1,0
В
400
150
400
100
Г
300
150
300
100
А
300
200
300
150
от 1,0
Б
200
150
300
100
Малая
точность
до 5,0
В
200
100
300
50
Г
200
100
300
50
Табл. 5.2. Нормы освещенности поверхностей в производственных помещениях
1 - Характеристика зрительной работы по степени точности.
2 - Наименьший размер объекта различения, мм.
3 - подразряд зрительной работы.
4 - Освещенность, лк.
5 - --- при газоразрядных лампах.
6 - --- при лампах накаливания.
7, 9 - комбинированное освещение.
8, 10 - одно общее освещение.
Яркость экрана должна быть равной 1/2 или более яркости рабочей
поверхности стола при освещенности 400-700 лк.
При проектировании осветительных установок с люминесцентными
светильниками в помещении целесообразно выбирать коэффициент запаса,
равный 1.4.
Допустимая величина дискомфорта, одного из основных качественных
параметров осветительных установок, регламентируемого для ограничения
прямой блескости, не должны превышать 15. При проектировании
осветительных установок следует пользоваться инженерным методом оценки
слепящего действия осветительных установок по дискомфорту.
85
Величина коэффициента пульсации на должна превышать 10 %, для
чего следует применять многоламповые светильники с компенсирующими
ПРА,
осуществлять
расфазировке
светильников
при
электромонтаже
осветительных установок.
Для освещения помещения рекомендуется применять светильники с
металлической экранирующей решеткой и непрозрачными боковинами.
В
качестве
люминесцентные
источников
лампы
света
мощностью
рекомендуется
40
Вт
или
использовать
энергоэкономичные
мощностью 36 Вт.
Светильники должны освобождаться от пыли не менее двух раз в год.
Работа на видеотерминалах может осуществляться при следующих
видах освещения:
1. общем люминесцентном освещении, когда мониторы располагаются по
периметру помещения или при центральном расположении рабочих мест в
два
ряда
по
длине
помещения
с
экранами,
обращенными
в
противоположные стороны, а также при одно-, трехрядной расстановке
рабочих мест с ЭВМ; когда на улице темно, окна должны быть зашторены;
2. совмещенном освещении (естественное + искусственное) только при однои трехрядном расположении рабочих мест, когда экран и поверхность
рабочего стола находится перпендикулярно светонесущей стенке;
3. естественном освещении, когда рабочие места с ЭВМ располагаются в
один ряд по длине помещения на расстоянии 0.8-1.0 м от стены с
оконными
проемами
и
экраны
видеомониторов
находятся
перпендикулярно этой стене.
Основной поток естественного света при этом должен быть слева. Не
допускается направление основного светового потока справа, сзади и спереди
работающей ЭВМ.
Солнечные лучи и блики не должны попадать в поле зрения
работающей ЭВМ.
86
При выполнении работы в качестве источников света использовались
люменисцентные лампы мощностью 40Вт.
Шум.
Помещение, где проводится расчет на ЭВМ, не должно граничить с
помещениями, имеющими повышенные уровни воздушного и ударного шума,
а также располагаться вблизи таких помещений.
Уровень шума помещения, свободного от операторов и вычислительной
техники, не должен превышать 40 дБ (СН и П 11-12-77 “Защита от шума.
Нормы проектирования”), а уровни звукового давления в октавных полосах со
среднегеометрическими значениями частот: 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000
и 8000 Гц - соответственно 63, 52, 39, 35, 28, 20 дБ. См. Табл. V.3
Параметр/f, Гц
63
125 250 500 1000 2000 4000 8000
Допустимые
значения для
83
74
68
63
60
57
55
54
помещения
У одного
печатающего
66
56
56
58
62
57
57
52
устройства
у двух ПУ
72
62
62
64
68
63
63
58
У одного HDD
72
68
69
67
64
63
58
52
у двух HDD
78
74
75
73
70
69
64
58
Табл. 5.3 Уровни звукового давления в машинном зале ВЦ (данные спектра в октавных
полосах в дБ)
Звукоизоляция ограждающих конструкций помещения должна
отвечать требованиям согласно главы СНиП 11-12-77.
Во время работы на ЭВМ в помещении уровень шума не должен
превышать 50 дБ, а уровни звукового давления в октавных полосах частот со
среднегеометрическим значением 63, 125, 250, 50, 1000, 2000, 4000 и 8000 Гц
- соответственно 71, 61, 54, 49, 42, 40 и 38 дб (ГОСТ ССБТ 12.1.003-83 “Шум.
Общие требования безопасности”; “Санитарные нормы допустимых уровней
шума на рабочих местах” №3223-85). Для снижения уровня шума потолок или
стены выше панелей (1.5-17 м от пола), а иногда и стены и потолок должны
87
облицовываться
звукопоглощающим
материалом
с
максимальным
коэффициентом звукопоглощения в области частот 63-8000 Гц.
Дополнительным звукопоглощением в помещении могут быть занавеси,
подвешенные
в
складку
на
расстоянии
15-20
см
от
ограждения,
выполненного из плотной тяжелой ткани. Ширина занавеси должна быть в
два раза больше ширины оконного проема.
При проведении исследований уровень звукового шума не превышал 50
дБ (48 дБ), что можно признать удовлетворяющем норме.
Качественный состав воздуха.
Содержание кислорода в помещении должно быть в пределах 21-22 об.
%. Двуокись углерода не должна превышать 0.1 об. %, озон - 0.1 мг/м3,
аммиак - 0.2 мг/м3, хлористый винил - 0.005 мг/м3, формальдегид - 0.003
мг/м. 3.
Количество легких (положительных и отрицательных) ионов должно
соответствовать оптимальным значениям: для положительных - 1500-300, для
отрицательных - 3000-5000. Коэффициент полярности (отношение разности
числа положительных и отрицательных ионов к их сумме) должен находиться
от -0.5 до 0 (“Санитарно-гигиенические нормы допустимых уровней
ионизации воздуха производственных и общественных помещений” №215280).
В помещении, где используется компьютер, следует ограничивать
применение полимерных материалов для отделки интерьера и оборудования.
Пол должен иметь поливинилхлоридное антистатическое покрытие (ТУ 2129-108-84).
Двери
и
стенные
шкафы
могут
быть
облицованы
поливинилхлоридным декоративным антистатическим материалом (ТУ 40020-38-3-82).
Запрещается
применять
для
отделки
интерьера
компьютерного
помещения строительные материалы, содержащие органическое сырье:
88
древесностружечные
плиты
(ДСП)
декоративный
бумажный
пластик,
поливинилхлоридные пленки, моющиеся обои и др.
Пожары.
К опасным факторам относится возникновение пожара, которое может
произойти, например, от короткого замыкания из-за неисправностей в
электропроводке. Находясь в горящем помещении, человек может получить
сильные ожоги. При горении полимерных материалов, используемых для
отделки интерьера, выделяются токсичные вещества, вызывающие сильное
отравление организма.
Для
того,
предусмотреть
чтобы
избежать
автоматическую
пожара,
пожарную
необходимо
обязательно
сигнализацию,
средства
первичного пожаротушения, а также план эвакуации людей.
Помещение, сооружение,
установка
Административные
здания и сооружения
(а) служебно-бытовые
помещения
(б) вычислительные
центры, машиносчетные
станции, архивы,
библиотеки, проектноконструкторские бюро
(в) типографии,
помещения
множительных, печатнокопировальных машин
Единица
измерения,
м2
Огнетушител
и ручные ОУ2, ОУ-5, ОУ-8
Пенные,
химические,
воздушнопенные и
жидкостные
огнетушители
200
--
1
--
100
1
1
1
200
1
1
--
Войлок,
кошма или
асбест (1х1,
2х1.5,
2х2м)
Табл. 5.4 Нормы первичных средств пожаротушения на действующих предприятиях
Примечание:
89
1. К (а) Должно быть не менее двух огнетушителей на этаж.
2. К (б) Вместо углекислотных огнетушителей могут устанавливаться порошковые.
3. Помещения, оборудованные автоматическими стационарными установками
пожаротушения, обеспечиваются первичными средствами пожаротушения из
расчета 50% расчетного количества.
Помещение, в котором осуществлялась настоящая дипломная работа, относится к
категории (б).
Другие факторы
Зрительное и умственное перенапряжение можно уменьшить путем
правильной организации рабочего места при работе с компьютером.
При работе на ЭВМ необходимо соблюдать правильную посадку.
Работающий за видеотерминалом должен сидеть прямо, опираясь в области
нижних углов лопаток на спинку стула, не сутулясь, с небольшим наклоном
головы вперед (до 5-7о). Предплечья должны опираться на поверхность стола,
снимая тем самым статическое напряжение мышц плечевого пояса и рук.
Угол, образуемый предплечьем и плечом, а также - голенью и бедром, должен
быть не менее 90о.
Уровень глаз должен приходиться на центр экрана и оптимальное ее
отклонение в вертикальной плоскости должно находиться в пределах 10 о.
Оптимальный обзор в горизонтальной плоскости от центральной оси экрана
должен быть в пределах 15о, допустимый - 30о. При рассмотрении
информации, находящейся в крайних положениях экрана ЭВМ, угол
рассматривания ограниченный линией взора и поверхностью экрана должен
быть не менее 45о. Чем больше угол рассматривания, тем легче воспринимать
информацию с экрана видеотерминала и меньше будут уставать глаза.
Оптимальное расстояние глаз до экрана монитора должно составлять
60-70 см, допустимое - не менее 50 см. Рассматривать информацию на экране
видеотерминала ближе 50 см не рекомендуется.
90
Для
предупреждения
развития
переутомления
обязательными
условиями являются:
1. осуществление перерыва после каждого академического часа работы
длительностью не менее 15 минут, независимо от ее вида;
2. проведение во время перерыва проветривания помещения (желательно
сквозное);
3. осуществление во время перерыва подвижной паузы с течении 3-4-минут;
4. через каждые 20-25 минут работы на видеотерминале осуществлять
упражнения для глаз. Комплекс упражнений рекомендуется менять не
реже одного раза в 2-3 недели.
Уровень неиспользованного рентгеновского излучения на расстоянии 5
см от экрана и других поверхностей ЭВМ не должен превышать 100 мкР/ч.
Напряженность электростатического поля на рабочем месте при работе
на видеотерминале должна быть не более 15 кВ/м.
В целях предупреждения электротравмы запрещается работать на
незаземленных мониторах, а также на мониторах, у которых нарушен
внешний вид (повреждена поверхность корпуса и ЭЛТ и т.п.), имеются
нехарактерные сигналы, нестабильное изображение на экране ЭЛТ и др.
Помещения
должны
быть
оснащены
устройствами
защитного
отключения. Электророзетки, находящиеся на рабочих местах операторов,
должны быть расположены в труднодоступном месте. Свободные розетки
должны быть закрыты заглушками. Должны быть соблюдены нормы,
препятствующие легкому извлечению сетевых вилок из розеток (на розетках
устанавливаются защитные кожухи).
Средства вычислительной техники должны быть установлены и
подключены в строгом соответствии с инструкциями по их эксплуатации и
заземлены. Провода электропитания не должны свешиваться со столов или
висеть под столами. Должна быть исключена возможность случайного
касания ногами проводов или электророзеток.
91
Операторы не должны иметь легкого доступа к задним панелям
видеотерминалов.
ЭВМ должны находиться на столах в устойчивом положении, а столы
должны быть прикреплены к полу. Средства вычислительной техники
должны иметь чехлы, предохраняющие их от пыли.
Для снижения пыли в помещении с компьютером рекомендуется:
1. не входить в помещение, где установлены видеотерминалы, в уличной
обуви;
2. на входе в помещение необходимо предусмотреть шкаф с полками для
хранения портфелей и сумок, или же встроенный шкаф;
3. ежедневно проводить уборку помещения влажным способом и протирать
экраны и корпус видеомонитора.
5.3. Расчет экрана.
Основной целью электромагнитной экранировки установки является не
допущение воздействия СВЧ мощности на персонал. Для частот свыше 300
МГц установлена максимальная мощность длительного (несколько часов)
воздействия на человека и она равна 10мкВт/см2 или 0.1 Вт/м2.
Экранирование производится металлическими листами. Их защитные
свойства обусловлены тем, что электромагнитное поле создает на экране токи
Фуко, наводящие в нем вторичное поле по амплитуде примерно равное, а по
фазе противоположное экранируемому. Результирующее поле, возникающее
при сложении этих двух полей, очень быстро убывает в экране, проникая на
незначительную глубину.
В исследованиях применяется частота 9 ГГц, получаемые выходные
мощности находятся в пределах до 300 Вт при следующих геометрических
размерах установки: диаметр выходного окна ~ 6 мм. Таким образом, в зоне
вывода прибора устанавливаются потоки мощности порядка:
92
(V.1)
Для экранирования опасных мощностей воспользуемся стальным экраном со
следующими параметрами:  = 0,24*107 1/Ом*м и  = 1.
Рассчитаем по формуле (V.2) эффективность экранировки (в разах) для
толщины медной фольги d = 0,3 мм.
d
 120       

A
  exp  0.0885  

4 2



(V.2)
где  - толщина скин-слоя для данного металла на заданной частоте (V.3):
     0      f 
1
2
(V.3)
0 = 4*10-7 [Гн/м]
В нашем случае получим: А = 7,455*109 раз
Паизл = Пизл/А = 0,001 Вт/м2 – что меньше предельно-допустимого значения.
Глава VI. Экологическая часть
6.1 Воздействие электромагнитного излучения на людей.
О вредном воздействии на здоровье электромагнитного излучения
высоковольтных ЛЭП уже много писали, но, оказывается, наши квартиры,
опутанные электрокабелем и переполненные бытовыми приборами, не
намного безопаснее. Речь пойдет о воздействии на людей магнитных полей,
которые создаются некоторыми бытовыми электроприборами, а в основном
разнообразным электротехническим оборудованием здания: кабельными
линиями, подводящими электричество ко всем квартирам, системами
93
энергоснабжения лифтов. В России не установлены предельно допустимые
уровни переменного магнитного поля частотой 50 Гц для населения, поэтому
этот вид излучения не контролируется органами санэпидемнадзора в
жилищах и для бытовых приборов. А вот в Швеции цифра 0,2 мкТл
фигурирует уже в обязательных к исполнению существующих правил, и в них
рекомендовано снижать уровень поля, насколько это позволяют сделать
современные технические средства. В результате исследований населения в
Швеции установлено, что у тех, кто живет в условиях повышенного (более 0,1
мкТл) уровня магнитного поля промышленной частоты, риск развития
лейкемии у детей возрастал в 3,6 раза с повышением уровня магнитного поля
от 0,1 мкТл до 0,4 мкТл.
Споры о воздействии электромагнитного излучения аппаратов сотовой
связи на здоровье пользователей ведутся уже несколько лет, при этом самым
главным
аргументом
достоверных
защитников
экспериментальных
радиотелефона
данных
о
связи
было
отсутствие
высокочастотного
излучения и заболеваемости.
В
майском
выпуске
журнала
“Radiation
Research”
группа
исследователей под руководством доктора Майкла Рипачелли сообщила об
экспериментах
по
облучению
лабораторных
животных
импульсно-
модулированным радиочастотным сигналом (900 МГц), соответствующим
одному из наиболее распространенных стандартов сотовой связи.
Исследование проведено на мышах методами генной инженерии,
выведенных для изучения раковых заболеваний. Эти мыши имеют особый
ген, вызывающий склонность к образованию лимфомы, и ученые заранее
знают, какой процент животных в нормальных условиях окажется больным
через любое время. В ходе эксперимента около 100 мышей-самок
подвергались облучению дважды в день в течение 30 минут. Через полтора
года 43 процента облученных животных заболело лимфомой, в контрольной
группе -только 22 процента.
94
Эти эксперименты устанавливают статистически достоверную связь
между
электромагнитным
излучением
сотового
телефона
и
ростом
онкологических заболеваний у подопытных животных.
Исследование
группы
Майкла
Рипачелли
выполнено
квалифицированным коллективом с использованием самых современных
методов. Работа проводилась в рамках международного проекта Всемирной
организации здравоохранения. Биологическое действие электромагнитных
полей, и ее результаты, очевидно, указывают на возможность канцерогенного
действия электромагнитных полей, особенно в сочетании с другими
канцерогенными факторами.
Однако полностью переносить эти результаты на человека пока
преждевременно. Провести эксперименты на человеке невозможно, поэтому
надо ждать, когда проявятся последствия для здоровья сегодняшних
пользователей радиотелефонов. Точно так же в сороковых годах ученые не
имели данных об онкологическом воздействии ядерного излучения на
человека, хотя опыты на животных достоверно связывали радиацию и рак.
Лишь потом, в ходе медицинских наблюдений за жертвами ядерных взрывов
и аварий, все данные лабораторных исследований были подтверждены.
Результаты исследований доктора Рипачелли являются тревожным
сигналом и требуют большой осторожности в использовании техники
мобильной связи.
Биологическое действие электромагнитных полей зависит прежде всего
от двух параметров - мощности и частоты излучения. В зависимости от
мощности различают тепловое и нетепловое воздействие. Условной границей
между этими областями является величина в 10 милливатт на квадратный
сантиметр облучаемой поверхности. При таком значении мощности ткани
могут прогреться на несколько десятых долей градуса. От частоты излучения
зависит, насколько хорошо поглощается электромагнитная энергия в теле
человека.
Например,
волны
метрового
диапазона
(40
МГц)
слабее
95
поглощаются в тканях, чем волны дециметрового диапазона (900 МГц), а
излучение сантиметрового диапазона может полностью "застрять" в живой
ткани на глубине в несколько сантиметров. Значение выходной мощности
является основной энергетической характеристикой - чем она больше, тем
больший уровень электромагнитного поля будет около антенны. Для
радиотелефонов ручного пользования мощность находится в пределах от
десятых долей ватта до 10 ватт. В России уже несколько десятков лет
действуют нормы для предельно допустимых уровней радиочастотных
излучений. Например, для устройств, работающих в области частот 30 - 300
МГц была введена предельная напряженность электрического поля волны в
100 В/м. Для частот свыше 300 МГц установлена предельно допустимая
мощность излучения 10 микроватт на кв.см (для облучаемого персонала). Для
населения этот уровень меньше в 5.1 раза, без ограничения времени
облучения. При использовании любой бытовой аппаратуры в России эти
нормы
должны
соблюдаться.
Простейшие
оценки
показывают,
что
радиотелефон (например, 900 МГц) с мощностью излучения около одного
ватта способен создать в области вашей височной кости плотность мощности
в 10-100 раз большую, чем предельно допустимые значения. Заметим, что
инструментальные
измерения
уровней
излучения
радиотелефонов
подтверждают эту печальную картину. Проблему влияния электромагнитного
поля радиотелефона на здоровье стали широко обсуждать в США в начале 90х годов. Именно тогда к производителям аппаратов и владельцам сотовых
сетей был предъявлен ряд гражданских исков от родственников людей,
активно пользовавшихся при жизни радиотелефоном и умерших от рака
мозга. Вся эта история вызвала панику среди пользователей аппаратов
сотовой связи, которая и привела в 1993 году к резкому падению курса акций
крупнейших компаний, занятых в радиотелефонном бизнесе. Производители
провели беспрецедентную кампанию по формированию благоприятного
общественного мнения: в рекламу были включены сообщения о безопасности
продукции, проводились пресс-конференции ученых, заявившие, что не было
96
отмечено ни одного случая существования угрозы для здоровья от
применения сотового телефона». При этом никто не отрицал того факта, что
ни
одного
специального
исследования,
посвященного
проблемам
биомедицинских эффектов от радиотелефона к тому времени выполнено не
было.
Традиционно
при
рассмотрении
биологических
эффектов
от
электромагнитного поля считалось, что основным механизмом воздействия
является «тепловое» поражение тканей. Исходя из этого, и разрабатывались
стандарты безопасности во многих странах. Однако в последнее время
появляется все большее количество доказательств, что существуют другие
пути взаимодействия электромагнитного поля живого организма при
интенсивностях поля, недостаточных для тепловых воздействий. В числе
отдаленных проявлений этих воздействий и раковые, и гормональные
заболевания, и многое другое. Кроме того, ученые обратили внимание на
комбинированное воздействие малых интенсивностей различных видов
воздействий. Практически все мы находимся в условиях одновременного
воздействия электромагнитных полей, ионизирующих излучений, химических
веществ и прочее. В результате совместного действия всех этих факторов
процессы в организме протекают иначе, не так, как это моделировалось в
лабораториях для какого-либо одного вредного воздействия.
Одна из групп провела в течение месяца эксперимент, в ходе которого
20 добровольцев 6 дней в неделю по 2 часа в день использовали стандартный
сотовый телефон, а врачи анализировали их гормональное состояние. В
отчете приведены данные об устойчивом снижении тиреотропного гормона,
отвечающего за работу щитовидной железы. Хорошо известно, что при
снижении функции щитовидной железы уменьшается потребление кислорода,
снижается скорость обменных процессов. Внешние признаки этого прорежение волос, сухая, одутловатая кожа с желтоватым оттенком. хриплый
голос.
Эксперименты
на
животных
показали,
что
практически
все
контрольные системы организма реагируют именно на модулированный
сигнал при низкой интенсивности энергии воздействия (100 мкВт/кв.см). При
97
исследовании
теплового
воздействия
электромагнитного
излучения
необходимо иметь в виду и тот факт, что ткани живого организма
неоднородны. Например, в тканях головного мозга есть участки, которые изза высокой проводимости способны поглотить значительно большую часть
энергии электромагнитного излучения, чем соседние ткани. Возможность
такого "локального" перегрева была достоверно установлена еще до
изобретения радиотелефона. При превышении некоторых доз (кстати, весьма
незначительных) высокочастотного излучения в мозгу подопытных животных
наблюдались микроскопические участки, которые были буквально сварены.
Не исключено, что подобное явление приведет к раку мозга. Вопрос о
воздействии радиотелефонов на здоровье человека остается по сей день
открытым.
98
Заключение
В ходе выполнения дипломного проекта были проведены расчет и
анализ электродинамических и выходных параметров спиральной
замедляющей системы широкополосной ЛБВ Ku-диапазона. Данный
проект
показывает
перспективы
развития
математического
моделирования.
Исходя из требований технического задания дипломного проекта
была проведена оценка возможных конструкций замедляющей системы и
выбрана оптимальная - спиральная ЗС с тремя металлокерамическими
стержнями.
Так
же
были
рассмотрены
основные
требования,
предъявляемые к выбранной замедляющей системе.
С помощью математического расчета на основе линейной теории
ЛБВ были получены основные конструктивные параметры, такие как
диаметр и шаг спирали, диаметр экрана, длина замедляющей системы,
площадь керамических опор и т.д.
Была освоена программа WinHelix 1.0.0 для определения
электродинамических параметров спиральной замедляющей системы на
основе дисперсионного уравнения спиральной ЗС. Расхождение с
линейной
теорией
составило:
коэффициента
замедления
-
3%,
сопротивления связи – 3.5%.
Зная основные параметры замедляющей системы – коэффициент
замедления и сопротивление связи, с помощью программы HelixTwt,
были определены выходные параметры спиральной ЗС: параметр
усиления, выходная мощность, коэффициент усиления, коэффициент
полезного действия (электронный и полный). Эти выходные параметры
удовлетворили условия технического задания дипломного проекта.
99
Список литературы
1. Пирс Д. Р. «Лампа с бегущей волной», перевод с английского. Советское радио,
1952 г.
2. И.В. Лебедев «Техника и приборы СВЧ» 1-й,2-й том. Издание 2-е, переработанное и
дополненное. М., 1972 г.
3. Кац А.М., Цейтлин М.Б. «Лампа с бегущей волной». Советское радио, М., 1964 г.
4. В. Клеен, К. Пешль «Введение в электронику сверхвысоких частот. Лампы с
длительным взаимодействием», перевод с немецкого под ред. В.А. Солнцева.
Советское радио, М., 1963г.
5. Коваленко В.Ф. «Введение в электронику сверхвысоких частот». Советское радио,
1955г.
6. Лошаков Л.Н., Пчельников Ю. Н. «Теория и расчет усиления лампы с бегущей
волной». Советское радио, 1955г.
7. Силин Р.А. , Сазонов В.П. «Замедляющие системы». Советское радио,
1966 г.
8. Силин Р.А. «Периодические волноводы».,-М.:ФАЗИС, 2002г.
9. Ю.А. Кацман «Приборы СВЧ». Высшая школа, 1983г.
10. Н.А. Аваев, Г.Г. Шишкин «Электронные приборы». МАИ, 1996г.
11. С.В. Кукарин «Электронные СВЧ приборы».-М.: Радио и связь, 1981г.
12. В.М. Березин, В.С. Буряк, Э.М. Гутцайт, В.П. Марин «Электронные приборы СВЧ».
Высшая школа, 1985г.
13. В.И. Гайдук, К.И. Палатов, Д.М. Петров «Физические основы электроники СВЧ».
Советское радио, 1971г.
14. А.М. Чернушенко, Н.Е. Меланченко, Л.Г. Малорацкий, Б.В. Петров
«Конструкции СВЧ устройств и экранов». Радио и связь, 1983г.
15. В.Т. Овчарова «Лампа с бегущей волной». Госэнергоиздат., 1959г.
16. А. Бекк «Электронные лампы». Советское радио, 1958г.
17. Монахов А.Ф. «Защита от электромагнитных полей технологических установок»
Москва. Издательство МЭИ, 1992г.
18. Никитин Д.П. Новиков. Ю.В. «Окружающая среда и человек». Москва. 2 издание
1986г.
100
101